前言
从本篇文章开始,就进入runtime的正篇
什么是runtime?
OC是一门动态语言,与C++这种静态语言不同,静态语言的各种数据结构在编译期已经决定了,不能够被修改。而动态语言却可以使我们在程序运行期,动态的修改一个类的结构,如修改方法实现,绑定实例变量等。
OC作为动态语言,它总会想办法将静态语言在编译期决定的事情,推迟到运行期来做。所以,仅有编译器是不够的,它需要一个运行时系统(runtime system),这也就是OC的runtime系统的意义,它是OC运行框架的基石。
与runtime交互
我们的OC语言是离不开runtime的。我们会在三个层次上和runtime进行交互,分别是:OC源码,通过Foundation框架定义的NSObject方法,直接调用runtime提供的接口方法。
- OC源码:大多数情况下,我们仅使用OC语言来编写代码,如NSObject,类属性,中括号的方法调用,协议,分类等。而这一切的背后,都是由runtime来支持的。我们平常所熟知的各种类型,背后都有runtime对应的C语言结构体,及C和汇编实现。
- NSObject: Cocoa中大部分类均继承于NSObject,因此大多数类都继承了NSObject所提供的方法。在NSObject中,有若干方法是运行时动态决定结果的,这背后其实是runtime系统对应数据结构的支持。如
isKindOfClass
和isMemberOfClass
检查类是否属于指定的Class的继承体系中;responderToSelector
检查对象是否能响应指定的消息;conformsToProtocol
检查对象是否遵循某个协议;methodForSelector
返回指定方法实现的地址。 - Runtime函数:Runtime 系统是一个由一系列函数和数据结构组成,具有公共接口的动态共享库。头文件存放于
/usr/include/objc
目录下。许多函数允许你用纯C代码来重复实现 Objc 中同样的功能。虽然有一些方法构成了NSObject类的基础,但是你在写 Objc 代码时一般不会直接用到这些函数的,除非是写一些 Objc 与其他语言的桥接或是底层的debug工作。在Objective-C Runtime Reference中有对 Runtime 函数的详细文档。
就如在我们在前传篇中提到的,所谓的runtime黑魔法,只是基于OC各种底层数据结构上的应用。
因此,要想了解runtime,就要先了解runtime中定义的各种数据结构。我们先从最基础的objc_object和objc_class开始。
objc_object
OC的底层实现是runtime,在runtime这一层,对象被定义为objc_object
结构体,类被定义为了objc_class
结构体。
我们先看objc_object
。
// jack.deng 对象的定义
struct objc_object {
private:
isa_t isa; // isa联合体
public:
// ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
Class ISA(); // 获取类名
// getIsa() allows this to be a tagged pointer object
Class getIsa();
// 省略其余方法
}
可以看到,objc_object
的定义很简单,仅包含一个isa_t
类型。
// jack.deng isa的定义
union isa_t
{
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
Class cls;
uintptr_t bits;
// 省略其余
。。。
}
isa_t
是一个联合,可以表示多种类型,但是我们这里仅关注Class cls
,它表明了对象属于哪个类。关于isa_t
可以表示的其他类型,我们会在其他章节中描述。
objc_class
isa_t
中Class
类型其实是 typedef struct objc_class *Class
一个指针,指向objc_class
结构体。
// jack.deng Class的定义
// typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass; // 父类指针
cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable // 缓存指针和虚表
class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
// class_rw_t *加上自定义的rr/alloc标志
// rr/alloc标志是指含有这些方法:retain/release/autorelease/retainCount/alloc等。
class_rw_t *data() {
return bits.data();
}
void setData(class_rw_t *newData) {
bits.setData(newData);
}
// 省略其他方法
。。。
}
可以看到,objc_class
继承自objc_object
, 即在runtime中,class也被看做一种对象
。 在objc_class
中,有三个数据成员:
Class superclass
:同样是Class类型,表明当前类的父类。
cache_t cache
:cache用于优化方法调用
,其对应的数据结构如是:
struct cache_t {
struct bucket_t *_buckets;
mask_t _mask;
mask_t _occupied;
// 省略其余方法
。。。
}
typedef uintptr_t cache_key_t;
struct bucket_t {
private:
cache_key_t _key;
IMP _imp;
public:
inline cache_key_t key() const { return _key; }
inline IMP imp() const { return (IMP)_imp; }
inline void setKey(cache_key_t newKey) { _key = newKey; }
inline void setImp(IMP newImp) { _imp = newImp; }
void set(cache_key_t newKey, IMP newImp);
};
cache的核心是有一个类型为bucket_t
的指针,它指向了一个以_key
和IMP
对应的缓存节点。
runtime方法调用的流程是,当要调用一个方法时,先不去Class的方法列表中查找,而是先去找cache_t cache
。当系统调用过一个方法后,会将其实现IMP
和key
存放到cache中,因为理论上一个方法调用过后,被再次调用的概率很大。关于方法调用,我们将会在别的章节描述。
class_data_bits_t bits
:这是Class
的核心,其本质是一个可以被Mask的指针类型。根据不同的Mask,可以取出不同的值。
struct class_data_bits_t {
// Values are the FAST_ flags above.
uintptr_t bits;
public:
class_rw_t* data() {
return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}
void setData(class_rw_t *newData)
{
assert(!data() || (newData->flags & (RW_REALIZING | RW_FUTURE)));
// Set during realization or construction only. No locking needed.
// Use a store-release fence because there may be concurrent
// readers of data and data's contents.
uintptr_t newBits = (bits & ~FAST_DATA_MASK) | (uintptr_t)newData;
atomic_thread_fence(memory_order_release);
bits = newBits;
}
// 省略其余方法
}
class_data_bits_t bits
仅含有一个成员uintptr_t bits
, 可以理解为一个‘复合指针’。什么意思呢,就是bits不仅包含了指针,同时包含了Class
的各种异或flag,来说明Class的属性。把这些信息复合在一起,仅用一个uint指针bits
来表示。当需要取出这些信息时,需要用对应的以FAST_
前缀开头的flag掩码对bits
做按位与操作。
例如,我们需要取出Classs的核心信息class_rw_t
, 则需要调用方法:
class_rw_t* data() {
return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}
该方法返回一个class_rw_t*
,需要对bits
进行FAST_DATA_MASK
的与操作。
bits在内存中有三种位排列方式:
32位
0 | 1 | 2-31 |
---|---|---|
FAST_IS_SWIFT | FAST_HAS_DEFAULT_RR | FAST_DATA_MASK |
64位兼容版
0 | 1 | 2 | 3-46 | 47-63 |
---|---|---|---|---|
FAST_IS_SWIFT | FAST_HAS_DEFAULT_RR | FAST_REQUIRES_RAW_ISA | FAST_DATA_MASK | 空闲 |
64位不兼容版
0 | 1 | 2 | 3-46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52-63 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
FAST_IS_SWIFT | FAST_REQUIRES_RAW_ISA | FAST_HAS_CXX_DTOR | FAST_DATA_MASK | FAST_HAS_CXX_CTOR | FAST_HAS_DEFAULT_AWZ | FAST_HAS_DEFAULT_RR | FAST_ALLOC | FAST_SHIFTED_SIZE_SHIFT | 空闲 |
不兼容版本的宏定义如下:
// class is a Swift class
#define FAST_IS_SWIFT (1UL<<0)
// class's instances requires raw isa
#define FAST_REQUIRES_RAW_ISA (1UL<<1)
// class or superclass has .cxx_destruct implementation
// This bit is aligned with isa_t->hasCxxDtor to save an instruction.
#define FAST_HAS_CXX_DTOR (1UL<<2)
// data pointer
#define FAST_DATA_MASK 0x00007ffffffffff8UL
// class or superclass has .cxx_construct implementation
#define FAST_HAS_CXX_CTOR (1UL<<47)
// class or superclass has default alloc/allocWithZone: implementation
// Note this is is stored in the metaclass.
#define FAST_HAS_DEFAULT_AWZ (1UL<<48)
// class or superclass has default retain/release/autorelease/retainCount/
// _tryRetain/_isDeallocating/retainWeakReference/allowsWeakReference
#define FAST_HAS_DEFAULT_RR (1UL<<49)
// summary bit for fast alloc path: !hasCxxCtor and
// !instancesRequireRawIsa and instanceSize fits into shiftedSize
#define FAST_ALLOC (1UL<<50)
// instance size in units of 16 bytes
// or 0 if the instance size is too big in this field
// This field must be LAST
#define FAST_SHIFTED_SIZE_SHIFT 51
让我们再看一下Class
的核心结构class_rw_t
:
// jack.deng class_rw_t结构体的定义
// rw应该是readwrite的意思
struct class_rw_t {
// Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
uint32_t flags;
uint32_t version;
const class_ro_t *ro; // 类不可修改的原始核心
// rw跟ro很像,它拥有一个ro
// class_ro_t存放在编译期就确定的信息, class_rw_t用来存放在运行期添加的信息
// 下面三个array,method,property, protocol,可以被runtime 扩展,如Category
method_array_t methods;
property_array_t properties;
protocol_array_t protocols;
// 和继承相关的东西
Class firstSubclass;
Class nextSiblingClass;
// Class对应的 符号名称
char *demangledName;
// 以下方法省略
...
}
// jack.deng class_ro_t结构体的定义
// ro应该是readonly的意思
struct class_ro_t {
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
uint32_t reserved;
#endif
const uint8_t * ivarLayout;
const char * name;
method_list_t * baseMethodList;
protocol_list_t * baseProtocols;
const ivar_list_t * ivars;
const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
method_list_t *baseMethods() const {
return baseMethodList;
}
};
可以看到,在class_ro_t
中包含了类的名称,以及method_list_t, protocol_list_t, ivar_list_t, property_list_t
这些类的基本信息。 在class_ro_t
的信息是不可修改和扩展的。
而在更外一层 class_rw_t
中,有三个数组method_array_t, property_array_t, protocol_array_t
:
struct class_rw_t {
...
const class_ro_t *ro; // 类不可修改的原始核心
// 下面三个array,method,property, protocol,可以被runtime 扩展,如Category
method_array_t methods;
property_array_t properties;
protocol_array_t protocols;
...
}
这三个数组是可以被runtime动态扩展的。
objc_class
中包含class_data_bits_t, class_data_bits_t
中通过FAST_DATA_MASK
获取指向class_rw_t
类型的指针,而在class_rw_t
中包含class_ro_t
,类的核心const信息。
realizeClass
在objc_class
的data()
方法最初返回的是const class_ro_t *
类型,也就是类的基本信息。因为在调用realizeClass
方法前,Category定义的各种方法,属性还没有附加到class上,因此只能够返回类的基本信息。
而当我们调用realizeClass
时,会在函数内部将Category中定义的各种扩展附加到class上,同时改写data()
的返回值为class_rw_t *
类型,核心代码如下:
const class_ro_t *ro;
class_rw_t *rw;
ro = (const class_ro_t *)cls->data();
if (ro->flags & RO_FUTURE) {
// This was a future class. rw data is already allocated.
rw = cls->data();
ro = cls->data()->ro;
cls->changeInfo(RW_REALIZED|RW_REALIZING, RW_FUTURE);
} else {
// Normal class. Allocate writeable class data.
rw = (class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1);
rw->ro = ro;
rw->flags = RW_REALIZED|RW_REALIZING;
cls->setData(rw);
}
得出结论,在class
没有调用realizeClass
之前,不是真正完整的类。
objc_object & objc_class
如果我们再回头看一下objc_object
和objc_class
的定义,可以发现object和class是你中有我,我中有你的:
struct objc_object {
private:
isa_t isa; // unit联合,可以表示Class类型,表明Object所属的类
。。。
}
struct objc_class : objc_object { // objc_class继承自objc_object,表明objc_class也是一个objc_object
Class superclass; // super class 是一个objc_class * 指针
。。。
}
如果用UML图表示的话:
可以看到,objc_class
也是一个objc_object
类型,这意味着,objc_class
中也有一个属性isa
,而这个isa
,可以表示当前类属于(注意不是继承)哪个类。而这种说明类是属于哪个类的类,我们称之为元类(meta-class
)。
这里再重申一遍,元类不是类的父类。至于元类的用途,我们将会在OC的消息转发中详细讲解。现在只需要知道,每一个类都有一个与其对应的元类。
id
我们可以用id表示任意类型的类实例变量。在runtime中,id是这样定义的:
typedef struct objc_object *id;
其实是一个objc_object *
,因为objc_object
的isa
存在,所有runtime是可以知道id类型对应的真正类型的。这个和C里面的void *
还是有区别的。