runtime进行曲，objc_msgSend的前世今生（二）

概要：傻瓜式讲解动态绑定和消息转发。
学习进度:

• runtime小序曲，从运行时多态看这股神秘力量
• runtime进行曲，objc_msgSend的前世今生（一）
• runtime进行曲，objc_msgSend的前世今生（二）
• runtime变奏曲，那些藏在runtime中的接口（一）
• runtime变奏曲，那些藏在runtime中的接口（二）

一、objc_msgSend伪代码复习

伪代码

// 首先看一下objc_msgSend的方法实现的伪代码
id objc_msgSend(id self, SEL op, ...) {
   if (!self) return nil;
   // 关键代码（a）
   IMP imp = class_getMethodImplementation(self->isa, SEL op);
   imp(self, op, ...); // 调用这个函数，伪代码...
}
// 查找IMP
IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL sel) {
    if (!cls || !sel) return nil;
    IMP imp = lookUpImpOrNil(cls, sel);
    if (!imp) {
      ... // 执行动态绑定
    }
    IMP imp = lookUpImpOrNil(cls, sel);
    if (!imp) return _objc_msgForward; // 这个是用于消息转发的
    return imp;
}
// 遍历继承链，查找IMP
IMP lookUpImpOrNil(Class cls, SEL sel) {
    if (!cls->initialize()) {
        _class_initialize(cls);
    }
    Class curClass = cls;
    IMP imp = nil;
    do { // 先查缓存,缓存没有时重建,仍旧没有则向父类查询
        if (!curClass) break;
        if (!curClass->cache) fill_cache(cls, curClass);
        imp = cache_getImp(curClass, sel);
        if (imp) break;
    } while (curClass = curClass->superclass); // 关键代码（b）
    return imp;
}

问题
伪代码中大部分在runtime进行曲，objc_msgSend的前世今生（一）中已经说明的很详细，这里看下上篇中留下的两个小疑问：

• 动态绑定。
• 消息转发。

二、动态绑定

动态绑定，从名称来看就大致懂了。如果调用一个类的方法，而这个类及其父类均没有实现这个方法。那么我们就在运行时绑定此方法到该类。举一例子如下：

// 使用@dynamic表明不自动合成属性a的set和get方法。
#import 
#import 
#import 

@interface A : NSObject
@property (nonatomic, assign) NSInteger a;
@end
@implementation A
@dynamic a;
@end
int main(int argc, char * argv[]) {
    A *aObject = [[A alloc] init];
    NSLog(@"%ld", aObject.a);   // 崩于此行
}

// 执行结果：crash，报错如下
2017-01-09 21:25:06.929 block[28341:228218] -[A a]: unrecognized selector sent to instance 0x60800000c580

参照一中objc_msgSend执行步骤，可知A类并没有动态绑定和消息转发，所以返回的imp为空，执行crash。下面我们为其加入动态绑定的方法。

// 代码
#import 
#import 
#import 

@interface A : NSObject
@property (nonatomic, assign) NSInteger a;
@end
@implementation A
@dynamic a;
int a(id self, SEL _cmd) {
    return 1;
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    class_addMethod([self class], @selector(a), (IMP)a, "i@:");
    return YES;
}
@end
int main(int argc, char * argv[]) {
    A *aObject = [[A alloc] init];
    NSLog(@"%ld", aObject.a);
}

// 没有crash，并输出1
2017-01-09 21:50:11.314 block[30605:247164] 1

OC中的方法实质上就是一个有id self和 SEL _cmd两个参数的C方法。

这里的aObject.a中a为实例方法，那么类方法怎么进行动态绑定？即通过resolveClassMethod方法。

// 代码
#import 
#import 
#import 

@interface A : NSObject
@end
@implementation A
void b(id self, SEL _cmd) {
    NSLog(@"b");
}
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel {
    class_addMethod([self class], @selector(b), (IMP)b, "v@:");
    return YES;
}
@end
int main(int argc, char * argv[]) {
    [[A class] performSelector:@selector(b)]; // 因为[A b];这种调用方式会编译错误，所以动态调用
}

// 打断点查看，虽然调用了resolveClassMethod，但还是crash
017-01-09 22:26:58.671 block[34171:285065] +[A b]: unrecognized selector sent to class 0x1037b5e30

参照上一篇文章中，A的class中只存有实例方法，A的metaClass中只存有类方法，而相应的调用也是如此，即实例方法在A的class中找，而类方法在A的metaClass中找。所以上述给A class添加方法b并没有作用，仅仅是添加了一个实例方法b。正确方法如下：

// 代码
#import 
#import 
#import 

@interface A : NSObject
@end
@implementation A
void b(id self, SEL _cmd) {
    NSLog(@"b");
}
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel {
    Class aMeta = objc_getMetaClass(class_getName([self class]));
    class_addMethod([aMeta class], @selector(b), (IMP)b, "v@:");
    return YES;
}
@end
int main(int argc, char * argv[]) {
    [[A class] performSelector:@selector(b)];
}

// 没有crash，输出b，无敌
2017-01-09 22:31:53.440 block[34634:289598] b

三、消息转发

参见一中查找IMP代码。

// 查找IMP
IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL sel) {
    if (!cls || !sel) return nil;
    IMP imp = lookUpImpOrNil(cls, sel);
    if (!imp) {
      ... // 执行动态绑定
    }
    IMP imp = lookUpImpOrNil(cls, sel);
    if (!imp) return _objc_msgForward; // 这个是用于消息转发的
    return imp;
}

可知，消息转发是objc_msgSend的最后一道防线。如果找不到imp，则会调用下面方法抛出异常。

- (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector;

而在调用doesNotRecognizeSelector之前，会先调用方法（对于实例方法）。

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;

若此方法能为另一个类的消息创建一个有效的方法签名（当另一个类中有aSelector则可以创建）。创建方式如下：

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    NSMethodSignature* signature = [super methodSignatureForSelector:aSelector];
    if (!signature) {
        B *bObject = [[B alloc] init]; // 假设B中有实例方法aSelector
        signature = [bObject methodSignatureForSelector:aSelector];
    }
    return signature;
}

若返回值signature为nil，则执行doesNotRecognizeSelector抛出异常，若signature签名成功，则执行转发方法。

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    B *bObject = [[B alloc] init];
    [anInvocation invokeWithTarget:bObject];
}

当然，进入forwardInvocation中之后就不会在调用起本类的doesNotRecognizeSelector方法了。除非将这个消息又转回自己（如果调用某个对象的方法没找到，则调用相应类的doesNotRecognizeSelector抛出异常）。又比如，若forwardInvocation什么都不写，则不会有任何现象，也不会crash，也不会抛出异常。

下面看一下完整的实例方法转发代码：

#import 
#import 
#import 

@interface B : NSObject
- (void)b;
@end
@implementation B
- (void)b {
    NSLog(@"b");
}
- (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector {
    [super doesNotRecognizeSelector:aSelector];
}
@end
@interface A : NSObject
@end
@implementation A

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    NSMethodSignature* signature = [super methodSignatureForSelector:aSelector];
    if (!signature) {
        B *bObject = [[B alloc] init];
        signature = [bObject methodSignatureForSelector:aSelector];
    }
    return signature;
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    B *bObject = [[B alloc] init];
    [anInvocation invokeWithTarget:bObject];
}

- (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector {
    [super doesNotRecognizeSelector:aSelector];
}
@end
int main(int argc, char * argv[]) {
    A *aObject = [[A alloc] init];
    [aObject performSelector:@selector(b)];
}

实例方法的转发大概讲完了，接下来看下类方法的转发。和实例方法类似，有两个需要额外注意的地方。

• 实例方法是在B的class中查找b方法，若查找类方法，需要在B的metaClass中查找。
• 上述代码中的methodSignatureForSelector、forwardInvocation、doesNotRecognizeSelector在类方法的转发过程不会被触发，需要将前面的“-”换成“＋”才会被触发（毕竟是查找类方法，有点区别）。

类方法转发代码如下：

#import 
#import 
#import 

@interface B : NSObject
+ (void)b;
@end
@implementation B
+ (void)b {
    NSLog(@"b");
}
- (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector {
    [super doesNotRecognizeSelector:aSelector];
}
@end
@interface A : NSObject
@end
@implementation A

+ (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    NSMethodSignature* signature = [super methodSignatureForSelector:aSelector];
    if (!signature) {
        Class bMeta = objc_getMetaClass(class_getName([B class]));
        signature = [[bMeta class] instanceMethodSignatureForSelector:aSelector];
    }
    return signature;
}

+ (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    [anInvocation invokeWithTarget:[B class]];
}

+ (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector {
    [super doesNotRecognizeSelector:aSelector];
}
@end
int main(int argc, char * argv[]) {
    [[A class] performSelector:@selector(b)];
}

四、消息转发补充

1、forwardingTargetForSelector

看到现在，不少曾经看过消息转发的一些文章的读友可能发现，有一个函数没有被提到：

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;

那么，它是做什么的呢？经过测试，该函数会在methodSignatureForSelector调用之前进行调用，来看一下是否可以进行转发。下面写一个forwardingTargetForSelector实现转发的样例：

// 下述为类方法的转发样例，如果是实例方法，需要将forwardingTargetForSelector改为实例方法
#import 
#import 
#import 

@interface B : NSObject
+ (void)b;
@end
@implementation B
+ (void)b {
    NSLog(@"b");
}
@end
@interface A : NSObject
@end
@implementation A
+ (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(b)) {
        return [B class];
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
@end
int main(int argc, char * argv[]) {
    [[A class] performSelector:@selector(b)];
}

// 输出
2017-01-10 08:54:39.007 block[52966:479279] b

那么，既然forwardingTargetForSelector可以实现消息转发，为什么还要使用forwardInvocation作为消息管理中心呢？

• 虽然，forwardingTargetForSelector使用简单，不需要重写methodSignatureForSelector，产生的消耗也比forwardInvocation低得多。
• 但是，forwardingTargetForSelector无法获取当前的NSInvocation，或者说少了一些可以操作的值。

2、respondsToSelector:和isKindOfClass:

若不进行重写，respondsToSelector:和isKindOfClass:均只会作用于继承链，而不会触及转发。假设我在四.1中：

// 代码
NSLog(@"%i", [[A class] respondsToSelector:@selector(b)]);

// 虽然A中实现了b方法的转发，但是respondsToSelector:并不会查看
2017-01-10 09:10:47.921 block[54479:495382] 0

当然，我们可以重写respondsToSelector:来保证消息转发链也可以响应。

// 代码，前面为＋是因为这里看的是类方法b
+ (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector
{
    if ( [super respondsToSelector:aSelector] )
        return YES;
    else {
        if ([[B class] respondsToSelector:@selector(b)])
            return YES;
    }
    return NO;
}

// 调用NSLog(@"%i", [[A class] respondsToSelector:@selector(b)]);输出
2017-01-10 09:14:59.227 block[54899:500487] 1

同样的道理，isKindOfClass:、instancesRespondToSelector:和 conformsToProtocol:都会有相同的机制。

五、消息转发应用

1、多重继承

根据上述任意消息转发样例，可知实现了在A中调用B中的方法b，大概可以猜到，这是不是类似继承机制？答案是肯定的，因为OC不支持多继承，此处就给了一个实现多继承的方式，因为我们可以实现任意个类消息的转发，这里就不举例了。

这是一个先进的技术，只适用于没有其他解决方案的情况下。它能作为继承的替代品。如果必须使用这种技术，请确保您充分了解转发的类和被转发的类的行为。

2、NSProxy使用和面向切面编程

暂时没空写这部分，参见神经病院Objective-C Runtime住院第二天——消息发送与转发第四节。

3、JSPatch

JSPatch中也用到消息转发相关内容，暂不介绍，后续后有专门的文章。

六、消息传递流程图

objc_msgSend全过程（假设存在动态绑定）

七、文献

1、https://developer.apple.com/library/content/documentation/Cocoa/Conceptual/ObjCRuntimeGuide/Articles/ocrtForwarding.html#//apple_ref/doc/uid/TP40008048-CH105-SW1
2、http://www.jianshu.com/p/4d619b097e20