iOS开发-初识runtime

一.runtime的基本属性

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SEL

• objc_msgSend函数第二个参数类型为SEL，它是selector在Objc中的表示类型（Swift中是Selector类）。selector是方法选择器，可以理解为区分方法的 ID，而这个 ID 的数据结构是SEL:

typedef struct objc_selector *SEL;

• 其实它就是个映射到方法的C字符串，你可以用 Objc 编译器命令@selector()或者 Runtime 系统的sel_registerName函数来获得一个SEL类型的方法选择器。

id

• objc_msgSend第一个参数类型为id，大家对它都不陌生，它是一个指向类实例的指针：

typedef struct objc_object *id;

• 那objc_object又是啥呢：

struct objc_object { Class isa; };

objc_object结构体包含一个isa指针，根据isa指针就可以顺藤摸瓜找到对象所属的类。
PS:isa指针不总是指向实例对象所属的类，不能依靠它来确定类型，而是应该用class方法来确定实例对象的类。因为KVO的实现机理就是将被观察对象的isa指针指向一个中间类而不是真实的类，这是一种叫做 isa-swizzling的技术，详见官方文档

Class

• 之所以说isa是指针是因为Class其实是一个指向objc_class结构体的指针：

typedef struct objc_class *Class;

• 而objc_class就是我们摸到的那个瓜，里面的东西多着呢：

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
   #if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
    #endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

可以看到运行时一个类还关联了它的超类指针，类名，成员变量，方法，缓存，还有附属的协议。

• PS:
  在objc_class结构体中：ivars是objc_ivar_list指针；methodLists是指向objc_method_list指针的指针。也就是说可以动态修改methodLists的值来添加成员方法，这也是Category实现的原理，同样解释了Category不能添加属性的原因。任性的话可以在Category中添加@dynamic的属性，并利用运行期动态提供存取方法或干脆动态转发；或者干脆使用关联度对象（AssociatedObject）
  其中objc_ivar_list和objc_method_list分别是成员变量列表和方法列表：

   struct objc_ivar_list {
    int ivar_count                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_ivar ivar_list[1]                            OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list {
struct objc_method_list *obsolete                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    int method_count                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_method method_list[1]                        OBJC2_UNAVAILABLE;
}

如果你C语言不是特别好，可以直接理解为objc_ivar_list结构体存储着objc_ivar数组列表，而objc_ivar结构体存储了类的单个成员变量的信息；同理objc_method_list结构体存储着objc_method数组列表，而objc_method结构体存储了类的某个方法的信息。

• 最后要提到的还有一个objc_cache，顾名思义它是缓存，它在objc_class的作用很重要，在后面会讲到。
• 不知道你是否注意到了objc_class中也有一个isa对象，这是因为一个ObjC类本身同时也是一个对象，为了处理类和对象的关系，runtime 库创建了一种叫做元类 (Meta Class) 的东西，类对象所属类型就叫做元类，它用来表述类对象本身所具备的元数据。类方法就定义于此处，因为这些方法可以理解成类对象的实例方法。每个类仅有一个类对象，而每个类对象仅有一个与之相关的元类。当你发出一个类似[NSObject alloc]的消息时，你事实上是把这个消息发给了一个类对象(Class Object)，这个类对象必须是一个元类的实例，而这个元类同时也是一个根元类 (root meta class) 的实例。所有的元类最终都指向根元类为其超类。所有的元类的方法列表都有能够响应消息的类方法。所以当 [NSObject alloc]这条消息发给类对象的时候，objc_msgSend()会去它的元类里面去查找能够响应消息的方法，如果找到了，然后对这个类对象执行方法调用。 有趣的是根元类的超类是NSObject，而isa指向了自己，而NSObject的超类为nil，也就是它没有超类。

Method

• Method是一种代表类中的某个方法的类型。

typedef struct objc_method *Method;

而objc_method在上面的方法列表中提到过，它存储了方法名，方法类型和方法实现：

struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                          OBJC2_UNAVAILABLE;

方法名类型为SEL，前面提到过相同名字的方法即使在不同类中定义，它们的方法选择器也相同。
方法类型method_types是个char指针，其实存储着方法的参数类型和返回值类型。
method_imp指向了方法的实现，本质上是一个函数指针，后面会详细讲到。

Ivar

• Ivar是一种代表类中实例变量的类型。

typedef struct objc_ivar *Ivar;

• 而objc_ivar在上面的成员变量列表中也提到过：

-(NSString *)nameWithInstance:(id)instance {
    unsigned int numIvars = 0;
    NSString *key=nil;
    Ivar * ivars = class_copyIvarList([self class], &numIvars);
    for(int i = 0; i < numIvars; i++) {
        Ivar thisIvar = ivars[i];
        const char *type = ivar_getTypeEncoding(thisIvar);
        NSString *stringType =  [NSString stringWithCString:type encoding:NSUTF8StringEncoding];
        if (![stringType hasPrefix:@"@"]) {
            continue;
        }
        if ((object_getIvar(self, thisIvar) == instance)) {//此处若 crash 不要慌！
            key = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(thisIvar)];
            break;
        }
    }
    free(ivars);
    return key;
}

class_copyIvarList 函数获取的不仅有实例变量，还有属性。但会在原本的属性名前加上一个下划线。

IMP

• IMP在objc.h中的定义是：

typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);

它就是一个函数指针，这是由编译器生成的。当你发起一个 ObjC消息之后，最终它会执行的那段代码，就是由这个函数指针指定的。而IMP 这个函数指针就指向了这个方法的实现。既然得到了执行某个实例某个方法的入口，我们就可以绕开消息传递阶段，直接执行方法。
你会发现IMP指向的方法与objc_msgSend函数类型相同，参数都包含id和SEL类型。每个方法名都对应一个SEL类型的方法选择器，而每个实例对象中的SEL对应的方法实现肯定是唯一的，通过一组id和SEL参数就能确定唯一的方法实现地址；反之亦然。

Cache

• 在runtime.h中Cache的定义如下：

typedef struct objc_cache *Cache

• 还记得之前objc_class结构体中有一个struct objc_cache *cache吧，它到底是缓存啥的呢，先看看objc_cache的实现：

struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    unsigned int occupied                                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    Method buckets[1]                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
};

Cache为方法调用的性能进行优化，通俗地讲，每当实例对象接收到一个消息时，它不会直接在isa指向的类的方法列表中遍历查找能够响应消息的方法，因为这样效率太低了，而是优先在Cache中查找。Runtime系统会把被调用的方法存到Cache中（理论上讲一个方法如果被调用，那么它有可能今后还会被调用），下次查找的时候效率更高。

Property

• @property标记了类中的属性，这个不必多说大家都很熟悉，它是一个指向objc_property结构体的指针：

typedef struct objc_property *Property;
typedef struct objc_property *objc_property_t;//这个更常用

可以通过class_copyPropertyList 和 protocol_copyPropertyList方法来获取类和协议中的属性：

objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount)
objc_property_t *protocol_copyPropertyList(Protocol *proto, unsigned int *outCount)

返回类型为指向指针的指针,因为属性列表是个数组，每个元素内容都是一个objc_property_t指针，而这两个函数返回的值是指向这个数组的指针。
举个栗子，先声明一个类：

@interface Lender : NSObject {
    float alone;
}
@property float alone;
@end

你可以用下面的代码获取属性列表：

id LenderClass = objc_getClass("Lender");
unsigned int outCount;
objc_property_t *properties = class_copyPropertyList(LenderClass, &outCount);

你可以用property_getName函数来查找属性名称：

const char *property_getName(objc_property_t property)

你可以用class_getProperty 和 protocol_getProperty通过给出的名称来在类和协议中获取属性的引用：

objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name)
objc_property_t protocol_getProperty(Protocol *proto, const char *name, BOOL isRequiredProperty, BOOL isInstanceProperty)

你可以用property_getAttributes函数来发掘属性的名称和@encode类型字符串：

const char *property_getAttributes(objc_property_t property)

把上面的代码放一起，你就能从一个类中获取它的属性啦：

id LenderClass = objc_getClass("Lender");
unsigned int outCount, i;
objc_property_t *properties = class_copyPropertyList(LenderClass, &outCount);
for (i = 0; i < outCount; i++) {
    objc_property_t property = properties[i];
    fprintf(stdout, "%s %s\n", property_getName(property), property_getAttributes(property));
}

对比下 class_copyIvarList 函数，使用 class_copyPropertyList函数只能获取类的属性，而不包含成员变量。但此时获取的属性名是不带下划线的。

二.runtime常用用法

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1.获取类的成员变量

- (IBAction)getClassMember:(UIButton *)sender {
    
    // 定义一个变量接收属性数目
    unsigned int outCount = 0;
    
    // 获得person类的成员变量列表
    Ivar *ivarArray = class_copyIvarList([UIView class], &outCount);
    
    // 遍历列表
    for (int i = 0; i < outCount; ++i) {
        Ivar ivar = ivarArray[i];
        // 获得成员变量名
        const char *ch = ivar_getName(ivar);
        // 获得成员变量类型
        const char *type = ivar_getTypeEncoding(ivar);
        // C字符串转OC字符串
        NSString *varName = [NSString stringWithUTF8String:ch];
        NSString *varType = [NSString stringWithUTF8String:type];
        NSLog(@"%@  %@",varType,varName);
    }
    // 释放
    free(ivarArray);
}

2.获得类中的所有属性

- (IBAction)getClassProperty:(UIButton *)sender {
    
    unsigned int count = 0;
    
    objc_property_t *propertyArray = class_copyPropertyList([Person class], &count);
    
    for (int i = 0; i < count; ++i) {
        
        objc_property_t property = propertyArray[i];
        
        const char *name = property_getName(property);
        
        NSString *proName = [NSString stringWithUTF8String:name];
        
        NSLog(@"%@",proName);
    }
    // 释放
    free(propertyArray);
}

3.获得类的全部方法

- (IBAction)getClassMethod:(UIButton *)sender {
    // 定义一个变量接收方法数量
    unsigned int count = 0;
    // 获得类的方法
    Method *methodArray = class_copyMethodList([Person class], &count);
    // 遍历类的方法
    for (int i = 0; i < count; ++i) {
        Method method = methodArray[i];
        // 获得方法名
        SEL sel = method_getName(method);
        // 获得方法的实现
//        IMP imp = method_getImplementation(method);
        NSLog(@"%@",NSStringFromSelector(sel));
    }
    // 释放
    free(methodArray);
}

4.获得类的全部协议

- (IBAction)getClassProtocal:(UIButton *)sender {
    
    unsigned int count = 0;
    // 获得指向该类遵循的所有协议的数组指针
    __unsafe_unretained Protocol **protocolArray = class_copyProtocolList([self class], &count);
    
    for (int i = 0; i < count; ++i) {
        Protocol *protocol = protocolArray[i];
        
        const char *name = protocol_getName(protocol);
        NSString *protocolName = [NSString stringWithUTF8String:name];
        NSLog(@"%@",protocolName);
    }
    // 释放
    free(protocolArray);
}

5.动态改变成员变量

- (IBAction)changeClassMember:(UIButton *)sender {
    
//    self.student.name = @"willphonez";
    
    // 定义一个变量保存成员变量数量
    unsigned int count = 0;
    // 获得成员变量的数组的指针
    Ivar *ivarArray = class_copyIvarList([self.student class], &count);
    // 遍历成员变量数组
    for (int i = 0; i < count; ++i) {
        Ivar ivar = ivarArray[i];
        // 获得成员变量名
        NSString *ivarName =[NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
        // 根据成员变量名找到成员变量
        if ([ivarName isEqualToString:@"_scret"]) {
            // 对成员变量重新赋值
            object_setIvar(self.student, ivar, @"aibaozi");
            break;
        }
    }
    // 释放
    free(ivarArray);
    // 打印结果
//    NSLog(@"%@",self.student.name);
    [self.student run];
}

6.动态交换类方法

- (IBAction)changeClassMethod:(UIButton *)sender {
    // 获得两个方法
    Method run = class_getInstanceMethod([Person class], @selector(run));
    Method eat = class_getInstanceMethod([Person class], @selector(eat));
    // 交换对象方法实现
    method_exchangeImplementations(run, eat);
    // 调用方法,或发现两个方法的实现交换了
    [self.student run];
    [self.student eat];
    
    // runtime修改的是类,不是单一的对象,一次修改,在下次编译前一直有效
    Person *p = [[Person alloc] init];
    [p run];
    [p eat];
    
    // 也可以在category中添加自己的方法去替换 (包括系统类的方法)
    [Person sleep];
}

7.动态添加方法

- (IBAction)addClassMethod:(UIButton *)sender {
    
    // 添加方法的实现到fromCity方法
    class_addMethod([self.student class], @selector(fromCity:),(IMP)fromCityAnswer, nil);
    
    // runtime修改的是类,不是单一的对象,一次修改,在下次编译前一直有效
    
    if ([self.student respondsToSelector:@selector(fromCity:)]) {
        
        [self.student performSelector:@selector(fromCity:) withObject:@"广州"];
        
    } else {
        NSLog(@"无可奉告");
    }
}

void fromCityAnswer(id self, SEL _cmd, NSString *string) {
    
    NSLog(@"我来自:%@",string);
}

8.动态给category扩展属性

- (IBAction)addCategoryProperty:(UIButton *)sender {
    
    self.student.girlFriend = @"baozijun";
    NSLog(@"%@",self.student.girlFriend);
}

• Person+ZWF.h文件

#import "Person.h"

@interface Person (ZWF)
// 扩展属性
@property (nonatomic, strong) NSString *girlFriend;

@end

• Person+ZWF.m文件

#import "Person+ZWF.h"
#import 

@implementation Person (ZWF)

char friend;

- (NSString *)girlFriend
{
    // 获取相关连得对象时使用Objc函数objc_getAssociatedObject
   return objc_getAssociatedObject(self, &friend);
}

- (void)setGirlFriend:(NSString *)girlFriend
{
    // 创建关联要使用objc_setAssociatedObject
    // 4个参数依次是(源对象, 关键字, 关联对象, 关联策略)
    objc_setAssociatedObject(self, &friend, girlFriend, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}

+ (void)load
{
    // 获得两个类方法
    Method sleep = class_getClassMethod(self, @selector(sleep));
    Method noSleep = class_getClassMethod(self, @selector(noSleep));
    // 交换两个类方法的实现
    method_exchangeImplementations(sleep, noSleep);
}

+ (void)noSleep
{
    NSLog(@"%s",__func__);
}

@end

Demo源码已上传github:runtimeDemo,欢迎下载!