iOS中Runtime的设计
本文引用资料：
https://juejin.im/post/58f833458d6d81005875f872
https://draveness.me/load
https://www.jianshu.com/u/2de707c93dc4
https://zhuanlan.zhihu.com/p/26379488
https://juejin.im/post/58f830c3a22b9d0065827442
https://segmentfault.com/a/1190000009333497
https://tech.meituan.com/2015/08/12/diveintomethodcache.html
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一、Runtime中一切行为，皆消息？
请阅读：oc 与 smalltalk 的故事
阅读后，就会明白为何Runtime中好多msg_send···开头的函数；一切行为，皆消息是smalltalk的基本思想，oc恰恰正是沿用了这种思想。
Smalltalk 是世界上第二个面向对象的语言，其基本思想为：
-
1、基本思想一：完全的面向对象。万事万物都是对象，比Java还要彻底的面向对象，包括数据常量也是对象。
-
2、基本思想二：一切行为（也就是java中的方法），不再理解为方法调用，而是理解为向一个对象发送消息，也就是向一个对象发送一条命令，这个消息命令也可以带参数。
而OC 的发明者 Brad Cox 和 Tom Love 在当时主流且高效的 C 语言基础上，借鉴 Smalltalk 这两个思想想要搞出一个易用且轻量的 C 语言扩展，但 C 和 Smalltalk 的思想和语法格格不入，比如在 Smalltalk 中一切皆对象，一切调用都是发消息：
(原文：https://segmentfault.com/a/1190000009333497)
二、Runtime的方法调用
请阅读： OC缘起
通过oc 与 smalltalk 的故事，我们只是初步了解了runtime的奇怪的语法形式，这也恰恰是《OC缘起》中所表述模糊的，但是在《OC缘起》中，我们其实能看到更多。
1.OC的动态性
OC的函数调用称为消息发送，属于动态调用过程，在编译的时候并不能决定真正调用哪个函数
在Objective-C里面调用一个方法到底意味着什么呢，是否和C++一样，任何一个非虚方法都会被编译成一个唯一的符号，在调用的时候去查找符号表，找到这个方法然后调用呢？
答案是否定的。在Objective-C里面调用一个方法的时候，runtime层会将这个调用翻译成:
[obj makeTest]; ->objc_msgSend(obj,@selector(makeTest));
objc_msgSend方法包含两个必要参数：receiver、方法名（即：selector），如：[receiver message];将被转换为objc_msgSend(receiver, selector)；
此外objc_msgSend方法也能使用message的参数，如： objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, …);
在Runtime中一个objc_class定义如下：
引用 iOS Runtime 之一：Class 和 meta-class 原文
struct objc_class {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
Class super_class OBJC2_UNAVAILABLE; // 父类
const char *name OBJC2_UNAVAILABLE; // 类名
long version OBJC2_UNAVAILABLE; // 类的版本信息，默认为0
long info OBJC2_UNAVAILABLE; // 类信息，供运行期使用的一些位标识
long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE; // 该类的实例变量大小
struct objc_ivar_list *ivars OBJC2_UNAVAILABLE; // 该类的成员变量链表
struct objc_method_list **methodLists OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法定义的链表
struct objc_cache *cache OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法缓存
struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE; // 协议链表
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
isa：需要注意的是在Objective-C中，所有的类自身也是一个对象，这个对象的Class里面也有一个isa指针，它指向metaClass(元类)
注：类是对象，类对象也是也是其他类的实例对象，所以Runtime中设计出了meta class，通过meta class来创建类对象，所以类对象的isa指向对应的meta clas，我们成为元类。而meta class 也是一个对象，所有元类的isa都指向其根元类，根元类的isa指向自己，通过这种设计，isa的整体结构形成了一个闭环。
实例对象、类对象、元类
-
实例对象：就是我们通常的类的实例化的对象比如Obj * obj = [Obj new];那么这个obj 就是一个实例对象
-
类对象：这个时候是否有点奇怪，其实类也是一个对象，比如Obj 其实也是一个类对象
-
元类：其实就是 类对象的isa指向的类。
我们关注objc_class中的这个结构:
struct objc_cache *cache OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法缓存
用于缓存最近使用的方法。一个接收者对象接收到一个消息时，它会根据isa指针去查找能够响应这个消息的对象。在实际使用中，这个对象只有一部分方法是常用的，很多方法其实很少用或者根本用不上。这种情况下，如果每次消息来时，我们都是methodLists中遍历一遍，性能势必很差。这时，cache就派上用场了。在我们每次调用过一个方法后，这个方法就会被缓存到cache列表中，下次调用的时候runtime就会优先去cache中查找，如果cache没有，才去methodLists中查找方法。这样，对于那些经常用到的方法的调用，但提高了调用的效率
接上文：objc_msgSend 的消息分发分为以下几个步骤:
引用 原文：深入理解Objective-C：方法缓存
-
判断receiver是否为nil，也就是objc_msgSend的第一个参数self，也就是要调用的那个方法所属对象
-
从缓存里寻找，找到了则分发
-
如果没有找到,利用objc-class.mm中_class_lookupMethodAndLoadCache3
- 如果支持GC，忽略掉非GC环境的方法（retain等）
- 从本class的method list寻找selector，如果找到，填充到缓存中，并返回selector，否则
- 寻找父类的method list，并依次往上寻找，直到找到selector，填充到缓存中，并返回selector，否则
- 调用_class_resolveMethod，如果可以动态resolve为一个selector，不缓存，方法返回，否则
- 转发这个selector，否则报错，抛出异常
objc_cache的定义如下：
struct objc_cache {
uintptr_t mask; /* total = mask + 1 */
uintptr_t occupied;
cache_entry *buckets[1];
};
objc_cache的定义看起来很简单，它包含了下面三个变量：
-
1)、mask：可以认为是当前能达到的最大index（从0开始的），所以缓存的size（total）是mask+1
-
2)、occupied：被占用的槽位，因为缓存是以散列表的形式存在的，所以会有空槽，而occupied表示当前被占用的数目
-
3)、buckets：用数组表示的hash表，cache_entry类型，每一个cache_entry代表一个方法缓存 (buckets定义在objc_cache的最后，说明这是一个可变长度的数组)
而cache_entry的定义如下：
typedef struct {
SEL name; // same layout as struct old_method
void *unused;
IMP imp; // same layout as struct old_method
} cache_entry;
cache_entry定义也包含了三个字段，分别是：
- 1)、name，被缓存的方法名字
- 2)、unused，保留字段，还没被使用。
- 3)、imp，方法实现
理解了调用形式以及调用过程，包括方法的缓存，元类、类对象等概念后，回到OC缘起中，我们再看
原作者解释了整个过程大概如下：
- objc_msgSend方法按照一定的顺序进行操作，以完成动态绑定。
- objc_msgSend函数会依据接收者与selector的类型来调用适当的方法。
- 编译器执行上述转换时，在objc_msgSend函数中首先通过obj的isa指针找到obj对应的class。
- 每个对象内部都默认有一个isa指针指向这个对象所使用的类，isa是对象中的隐藏指针，指向创建这个对象的类。
- 在Class中先去cache中通过SEL查找对应函数（cache中method列表是以SEL为key通过hash表来存储的，这样能提高函数查找速度），
- 若cache中未找到,再去methodList中查找，若methodlist中未找到，则去superClass中查找，
- 若能找到，则将method加入到cache中，以方便下次查找，并通过method中的函数指针跳转到对应的函数中去执行。
- 如果最终还是找不到相符的方法，那就执行“消息转发”（message forwarding）操作。
消息转发的过程：
深入理解 Objective-C Runtime 机制 原文
在对象类的methodList中尝试找到该消息。如果找到了，跳到相应的函数IMP去执行实现代码；
如果没有找到，
- Runtime 会发送 +resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod: 尝试去 resolve 这个消息；
- 如果 resolve 方法返回 NO，Runtime 就发送 -forwardingTargetForSelector: 允许你把这个消息转发给另一个对象；
- 如果没有新的目标对象返回， Runtime 就会发送 -methodSignatureForSelector: 和 -forwardInvocation: 消息。你可以发送 -invokeWithTarget: 消息来手动转发消息或者发送 -doesNotRecognizeSelector: 抛出异常
三、Method Swizzling原理
上面我们清楚的了解到 runtime的方法调用，即向一个对象发送消息的实现原理。犹豫OC的动态性，我们还可以使用这个特性偷天换日。『狸猫换太子』，首先了解下IMP
上文提到在方法缓存cache_entry的定义如下：
typedef struct {
SEL name; // same layout as struct old_method
void *unused;
IMP imp; // same layout as struct old_method
} cache_entry;
每个类都有一个方法列表，存放着selector的名字和方法实现的映射关系。IMP指向具体的Method实现，交换IMP即可实现。IMP类似函数指针。
-
用 method_exchangeImplementations 来交换2个方法中的IMP;
-
用 class_replaceMethod 来修改类;
-
用 method_setImplementation 来直接设置某个方法的IMP，归根结底，都是偷换了selector的IMP。
引用原文OC缘起的一个例子
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
Method ori_Method = class_getInstanceMethod([self class], @selector(testOne));
Method my_Method = class_getInstanceMethod([self class], @selector(testTwo));
method_exchangeImplementations(ori_Method, my_Method);
[self testOne];
}
- (void)testOne {
NSLog(@"原来的");
}
- (void)testTwo {
NSLog(@"改变了");
}
四、利用Runtime 动态加载类和方法
在运行时创建一个新类,只需要3步:
1、为 class pair分配存储空间 ,使用 objc_allocateClassPair 函数
2、增加需要的方法使用 class_addMethod 函数,增加实例变量用class_addIvar
3、用objc_registerClassPair函数注册这个类,以便它能被别人使用。
- (void)ex_registerClassPair {
Class TestClass= objc_allocateClassPair([NSObject class], "TestClass", 0);
//为类添加变量
class_addIvar(TestClass, "_name", sizeof(NSString*), log2(sizeof(NSString*)), @encode(NSString*));
//为类添加方法 IMP 是函数指针 typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);
IMP i = imp_implementationWithBlock(^(id this,id other){
NSLog(@"%@",other);
return @123;
});
//注册方法名为 testMethod: 的方法
SEL s = sel_registerName("testMethod:");
class_addMethod(TestClass, s, i, "i@:");
//结束类的定义
objc_registerClassPair(TestClass);
//创建对象
id t = [[TestClass alloc] init];
//KVC 动态改变 对象t 中的实例变量
[t setValue:@"测试" forKey:@"name"];
NSLog(@"%@",[t valueForKey:@"name"]);
//调用 t 对象中的 s 方法选择器对于的方法
id result = [t performSelector:s withObject:@"测试内容"];
NSLog(@"%@",result);
}
五、category 与 extension
参考 iOS Runtime(一) Runtime的应用
这篇文章讲解了一些runtime的具体应用：
- 将某些OC代码转为运行时代码，探究底层，比如block的实现原理
- 拦截系统自带的方法调用（Swizzle 黑魔法），比如拦截imageNamed:、viewDidLoad、alloc
- 实现分类也可以增加属性
- 实现NSCoding的自动归档和自动解档
- 实现字典和模型的自动转换。(MJExtension)
- 修BUG神器，如果大型框架的BUG 通过Runtime来解决，非常好用。
关于+load方案看这个，runtime 在APP的启动速度优化时可以借鉴，也恰恰是iOS Runtime(一) Runtime的应用中所缺少的。
当然还有一个很系统的介绍runtime的总结：Runtime介绍，大家可以最后看这个总结，否则很难理解或者坚持下来。
个人能力不足，会有错误，请大家留言区纠正。
重申引用资料：
https://juejin.im/post/58f833458d6d81005875f872
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https://www.jianshu.com/u/2de707c93dc4
https://zhuanlan.zhihu.com/p/26379488
https://juejin.im/post/58f830c3a22b9d0065827442
https://segmentfault.com/a/1190000009333497
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