iOS底层原理 - 探寻Category本质（一）

面试题引发的思考：

Q: Category的作用是什么？

• 在不修改原来类的基础上，为一个类扩展方法。

Q: Category的实现原理？

• Category编译之后的底层结构是struct category_t，里面存储着分类的对象方法、类方法、属性、协议信息；
• 在程序运行的时候，runtime会将Category的数据，合并到类信息中（类对象、元类对象中）。

Q: Category和Class Extension的区别是什么？

• Class Extension在编译的时候，它的数据就已经包含在类信息中；
• Category是在运行时，才会将数据合并到类信息中。

1. 解析：

// TODO: -----------------  Person类  -----------------
@interface Person : NSObject
- (void)study;
+ (void)exam;
@end

@implementation Person
- (void)study {
    NSLog(@"Person - study");
}
+ (void)exam {
    NSLog(@"Person - exam");
}
@end

// TODO: -----------------  Person (Student)类  -----------------
@interface Person (Student) 
- (void)study;
+ (void)exam;
- (void)study1;
+ (void)exam1;
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, assign) int age;
@end

@implementation Person (Student)
- (void)study {
    NSLog(@"Person (Student) - study");
}
+ (void)exam {
    NSLog(@"Person (Student) - exam");
}
- (void)study1 {
    NSLog(@"Person (Student) - study1");
}
+ (void)exam1 {
    NSLog(@"Person (Student) - exam1");
}
@end

// TODO: -----------------  Person (Teacher)类  -----------------
@interface Person (Teacher)
- (void)study;
@end

@implementation Person (Teacher)
- (void)study {
    NSLog(@"Person (Teacher) - study");
}
@end

// TODO: ----------------- ViewController类  -----------------
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    Person *person = [[Person alloc] init];
    [person study];
    [person study1];
    [Person exam];
    [Person exam1];
}

根据iOS底层原理 - OC对象的本质（二）可知：
当Person的instance对象调用对象方法study时，通过instance对象的isa找到class对象，最后找到对象方法的实现进行调用。

Q: 那又是怎样调用Person分类的对象方法study1呢？
是通过instance对象的isa找到一个category-class对象，然后找到对象方法的实现进行调用吗？

实际上是：

• 一个instance对象，只有一个class对象。
• class对象会把本身以及分类的对象方法放到class对象中，即study方法、study1方法都在Person的class对象中。
  即当instance调用对象方法study、study1时，通过instance的isa找到class，最后找到对象方法的实现进行调用。
• 同理meta-class对象会把本身以及分类的类方法放到meta-class对象中。即exam方法、exam1方法都在Person的meta-class对象中。
  即当Person调用类方法exam、exam1时，通过class的isa找到meta-class，最后找到类方法的实现进行调用。

2. Category底层结构：

从OC源码中objc-runtime-new.h文件可知：

category_t结构体

由OC源码可知：

• Category本质是category_t结构体；
• category_t结构体存储着对象方法、类方法、协议、属性；
• category_t结构体没有成员变量的定义，说明分类是不允许添加成员变量；
• 分类中添加的属性不会生成成员变量，只会生成get方法、set方法的声明，需要我们自己去实现。

对以上结论进行实例分析：

• 通过命令行语句xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc Preson+Student.m将获得C++文件，文件中可以找到category_t结构体：

category_t结构体

category_t结构体与OC源码中一样。

通过category_t可以找到_OBJC_$_CATEGORY_Person_$_Student：

_OBJC_$_CATEGORY_Person_$_Student

_OBJC_$_CATEGORY_Person_$_Student结构体中的参数与category_t结构体中的参数一一对应，分别对应类名、_class_t结构体、对象方法、类方法、协议、属性。

接着通过_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_Person_$_Student找到instance_methods实现：

instance_methods实现

里面有两个方法study和study1，这是我们在分类中定义的对象方法。

接着通过_OBJC_$_CATEGORY_CLASS_METHODS_Person_$_Student找到class_methods实现：

class_methods实现

里面有两个方法exam和exam1，这是我们在分类中定义的类方法。

接着通过_OBJC_CATEGORY_PROTOCOLS_$_Person_$_Student找到protocols实现：

protocols实现

里面有两个协议NSCopying和NSCoding，这是我们在分类中遵守的协议。

接着通过_OBJC_$_PROP_LIST_Person_$_Student找到properties实现：

properties实现

里面有两个参数name和age，这是我们在分类中定义的属性。

由以上分析可知：

分类源码中将我们定义的对象方法、类方法、协议、属性等都存放在catagory_t结构体中。

2. catagory_t存储方式：

现在通过runtime源码查看catagory_t存储的对象方法、类方法、属性、协议等是如何存储在类对象中的。

首先找到runtime初始化函数_objc_init：

runtime初始化函数

然后通过&map_images读取模块找到map_images函数：

map_images函数

然后通过map_images_nolock找到_read_images函数：

map_images_nolock函数

然后通过_read_images找到Discover categories分类相关代码：

Discover categories

由Discover categories分类相关代码可知：
搜索分类信息，也就是说这段代码的功能是用来查找是否有分类。
通过_getObjc2CategoryList函数获取到分类列表以后，再进行遍历，获得其中的方法、协议、属性等;
然后通过remethodizeClass函数重新组织类方法，我们进入remethodizeClass函数内部：

remethodizeClass函数

由remethodizeClass函数相关代码可知：
attachCategories函数传入了对象cls和分类数组cats，对两者进行相关操作。我们进入attachCategories函数内部：

attachCategories函数

由前文分析可知：
分类信息存储在category_t结构体中，而一个类可以有多个分类，则多个分类就保存在categroy_list中。

根据以上源码对对象方法的操作进行分析：

• 首先通过malloc分配内存空间来存储方法数组；
• 然后通过遍历取出分类中对象的方法列表；
• 得到class_rw_t结构体rw，并通过attachList函数将所有分类的对象方法附加到类对象的方法列表中。

由以上代码可知：
attachCategories函数对类方法、属性、协议的处理与对象方法同理。

接下来进入attachList函数内部：

attachList函数

其中有两个函数：

• memmove内存移动：
  void *memmove(void *__dst, const void *__src, size_t __len);
  将__src的内存移动__len块内存到__dst中
• memcpy内存拷贝：
  void *memcpy(void *__dst, const void *__src, size_t __n);
  将__src的内存拷贝__n块内存到__dst中

根据以上代码分析：

• addedLists是所有分类的方法列表、属性列表、协议列表，addedCount是分类的个数；
• array()->lists是类的方法列表、属性列表、协议列表，array()->count是原来的个数；
• memmove函数：将array()->lists的内存移动oldCount * sizeof(array()->lists[0])块内存到array()->lists + addedCount中；
• memcpy函数：将addedLists的内存复制addedCount * sizeof(array()->lists[0])块内存到array()->lists中。

根据最初的代码分析：

代码包括：Person类，分类Person+Teacher和分类Person+Student,
array()->lists是类的方法列表，array()->count为1，结构显示如下：

方法列表初始结构

通过realloc函数重新分配内存，addedLists包括分类Person+Teacher和分类Person+Student的方法列表，addedCount为2，结构显示如下：

重新分配内存之后的结构

• 通过memmove函数将array()->lists的内存移动oldCount * sizeof(array()->lists[0])块内存到array()->lists + addedCount中
  即将类的方法列表的内存移动1块内存到原地址+2的内存中。

• 通过memcpy函数将addedLists的内存复制addedCount * sizeof(array()->lists[0])块内存到array()->lists中
  即将两个分类的方法列表的内存移动2块内存到原地址的内存中。
  结构显示如下：

memmove、memcpy之后的结构

由以上分析可知：

• 分类的方法列表追加到类的方法列表前面，保证了分类方法的优先调用
• 分类重写类的方法，不是覆盖，而是优先调用，类的方法存在最后的内存中
• 多个分类和类有同样的方法时，调用方法是按照分类的编译顺序逆序排列，示例如下：

方法调用顺序

同理可知：
分类的属性、协议的处理与分类的方法同理。