深入理解Objective-C：Category(上)
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摘要
无论一个类设计的多么完美，在未来的需求演进中，都有可能会碰到一些无法预测的情况。那怎么扩展已有的类呢？一般而言，继承和组合是不错的选择。但是在Objective-C 2.0中，又提供了category这个语言特性，可以动态地为已有类添加新行为。如今category已经遍布于Objective-C代码的各个角落，从Apple官方的framework到各个开源框架，从功能繁复的大型APP到简单的应用，catagory无处不在。本文对category做了比较全面的整理，希望对读者有所裨益。
简介
本文作者来自美团酒店旅游事业群iOS研发组。我们致力于创造价值、提升效率、追求卓越。欢迎大家加入我们（简历请发送到邮箱[email protected]）。
本文系学习Objective-C的runtime源码时整理所成，主要剖析了category在runtime层的实现原理以及和category相关的方方面面，内容包括：
初入宝地-category简介
连类比事-category和extension
挑灯细览-category真面目
追本溯源-category如何加载
旁枝末叶-category和+load方法
触类旁通-category和方法覆盖
更上一层-category和关联对象
1、初入宝地-category简介
category是Objective-C 2.0之后添加的语言特性，category的主要作用是为已经存在的类添加方法。除此之外，apple还推荐了category的另外两个使用场景1
可以把类的实现分开在几个不同的文件里面。这样做有几个显而易见的好处，a)可以减少单个文件的体积 b)可以把不同的功能组织到不同的category里 c)可以由多个开发者共同完成一个类 d)可以按需加载想要的category 等等。
声明私有方法
不过除了apple推荐的使用场景，广大开发者脑洞大开，还衍生出了category的其他几个使用场景：
模拟多继承
把framework的私有方法公开
Objective-C的这个语言特性对于纯动态语言来说可能不算什么，比如javascript，你可以随时为一个“类”或者对象添加任意方法和实例变量。但是对于不是那么“动态”的语言而言，这确实是一个了不起的特性。
2、连类比事-category和extension
extension看起来很像一个匿名的category，但是extension和有名字的category几乎完全是两个东西。 extension在编译期决议，它就是类的一部分，在编译期和头文件里的@interface以及实现文件里的@implement一起形成一个完整的类，它伴随类的产生而产生，亦随之一起消亡。extension一般用来隐藏类的私有信息，你必须有一个类的源码才能为一个类添加extension，所以你无法为系统的类比如NSString添加extension。（详见2）
但是category则完全不一样，它是在运行期决议的。
就category和extension的区别来看，我们可以推导出一个明显的事实，extension可以添加实例变量，而category是无法添加实例变量的（因为在运行期，对象的内存布局已经确定，如果添加实例变量就会破坏类的内部布局，这对编译型语言来说是灾难性的）。
3、挑灯细览-category真面目
我们知道，所有的OC类和对象，在runtime层都是用struct表示的，category也不例外，在runtime层，category用结构体category_t（在objc-runtime-new.h中可以找到此定义），它包含了
1)、类的名字（name）
2)、类（cls）
3)、category中所有给类添加的实例方法的列表（instanceMethods）
4)、category中所有添加的类方法的列表（classMethods）
5)、category实现的所有协议的列表（protocols）
6)、category中添加的所有属性（instanceProperties）
typedef struct category_t {
const char *name;
classref_t cls;
struct method_list_t *instanceMethods;
struct method_list_t *classMethods;
struct protocol_list_t *protocols;
struct property_list_t *instanceProperties;
} category_t;
从category的定义也可以看出category的可为（可以添加实例方法，类方法，甚至可以实现协议，添加属性）和不可为（无法添加实例变量）。
ok，我们先去写一个category看一下category到底为何物：
MyClass.h：
#import
@interface MyClass : NSObject
- (void)printName;
@end
@interface MyClass(MyAddition)
@property(nonatomic, copy) NSString *name;
- (void)printName;
@end
MyClass.m：
#import "MyClass.h"
@implementation MyClass
- (void)printName
{
NSLog(@"%@",@"MyClass");
}
@end
@implementation MyClass(MyAddition)
- (void)printName
{
NSLog(@"%@",@"MyAddition");
}
@end
我们使用clang的命令去看看category到底会变成什么：
clang -rewrite-objc MyClass.m
好吧，我们得到了一个3M大小，10w多行的.cpp文件（这绝对是Apple值得吐槽的一点），我们忽略掉所有和我们无关的东西，在文件的最后，我们找到了如下代码片段：
static struct /*_method_list_t*/ {
unsigned int entsize; // sizeof(struct _objc_method)
unsigned int method_count;
struct _objc_method method_list[1];
} _OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
sizeof(_objc_method),
1,
{{(struct objc_selector *)"printName", "v16@0:8", (void *)_I_MyClass_MyAddition_printName}}
};
static struct /*_prop_list_t*/ {
unsigned int entsize; // sizeof(struct _prop_t)
unsigned int count_of_properties;
struct _prop_t prop_list[1];
} _OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
sizeof(_prop_t),
1,
{{"name","T@"NSString",C,N"}}
};
extern "C" __declspec(dllexport) struct _class_t OBJC_CLASS_$_MyClass;
static struct _category_t _OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) =
{
"MyClass",
0, // &OBJC_CLASS_$_MyClass,
(const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition,
0,
0,
(const struct _prop_list_t *)&_OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition,
};
static void OBJC_CATEGORY_SETUP_$_MyClass_$_MyAddition(void ) {
_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition.cls = &OBJC_CLASS_$_MyClass;
}
#pragma section(".objc_inithooks$B", long, read, write)
__declspec(allocate(".objc_inithooks$B")) static void *OBJC_CATEGORY_SETUP[] = {
(void *)&OBJC_CATEGORY_SETUP_$_MyClass_$_MyAddition,
};
static struct _class_t *L_OBJC_LABEL_CLASS_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_classlist,regular,no_dead_strip")))= {
&OBJC_CLASS_$_MyClass,
};
static struct _class_t *_OBJC_LABEL_NONLAZY_CLASS_$[] = {
&OBJC_CLASS_$_MyClass,
};
static struct _category_t *L_OBJC_LABEL_CATEGORY_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_catlist,regular,no_dead_strip")))= {
&_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition,
};
我们可以看到，
1)、首先编译器生成了实例方法列表OBJC$_CATEGORY_INSTANCE_METHODSMyClass$_MyAddition和属性列表OBJC$_PROP_LISTMyClass$_MyAddition，两者的命名都遵循了公共前缀+类名+category名字的命名方式，而且实例方法列表里面填充的正是我们在MyAddition这个category里面写的方法printName，而属性列表里面填充的也正是我们在MyAddition里添加的name属性。还有一个需要注意到的事实就是category的名字用来给各种列表以及后面的category结构体本身命名，而且有static来修饰，所以在同一个编译单元里我们的category名不能重复，否则会出现编译错误。
2)、其次，编译器生成了category本身OBJC$_CATEGORYMyClass$_MyAddition，并用前面生成的列表来初始化category本身。
3)、最后，编译器在DATA段下的objc_catlist section里保存了一个大小为1的category_t的数组L_OBJC_LABELCATEGORY$（当然，如果有多个category，会生成对应长度的数组^_^），用于运行期category的加载。
到这里，编译器的工作就接近尾声了，对于category在运行期怎么加载，我们下节揭晓。
4、追本溯源-category如何加载
我们知道，Objective-C的运行是依赖OC的runtime的，而OC的runtime和其他系统库一样，是OS X和iOS通过dyld动态加载的。
想了解更多dyld地同学可以移步这里（3）。
对于OC运行时，入口方法如下（在objc-os.mm文件中）：
void _objc_init(void)
{
static bool initialized = false;
if (initialized) return;
initialized = true;
// fixme defer initialization until an objc-using image is found?
environ_init();
tls_init();
lock_init();
exception_init();
// Register for unmap first, in case some +load unmaps something
_dyld_register_func_for_remove_image(&unmap_image);
dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_bound,
1/*batch*/, &map_images);
dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_dependents_initialized, 0/*not batch*/, &load_images);
}
category被附加到类上面是在map_images的时候发生的，在new-ABI的标准下，_objc_init里面的调用的map_images最终会调用objc-runtime-new.mm里面的_read_images方法，而在_read_images方法的结尾，有以下的代码片段：
for (EACH_HEADER) {
category_t **catlist =
_getObjc2CategoryList(hi, &count);
for (i = 0; i category_t *cat = catlist[i];
class_t *cls = remapClass(cat->cls);
if (!cls) {
// Category's target class is missing (probably weak-linked).
// Disavow any knowledge of this category.
catlist[i] = NULL;
if (PrintConnecting) {
_objc_inform("CLASS: IGNORING category ???(%s) %p with "
"missing weak-linked target class",
cat->name, cat);
}
continue;
}
// Process this category.
// First, register the category with its target class.
// Then, rebuild the class's method lists (etc) if
// the class is realized.
BOOL classExists = NO;
if (cat->instanceMethods || cat->protocols
|| cat->instanceProperties)
{
addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);
if (isRealized(cls)) {
remethodizeClass(cls);
classExists = YES;
}
if (PrintConnecting) {
_objc_inform("CLASS: found category -%s(%s) %s",
getName(cls), cat->name,
classExists ? "on existing class" : "");
}
}
if (cat->classMethods || cat->protocols
/* || cat->classProperties */)
{
addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->isa, hi);
if (isRealized(cls->isa)) {
remethodizeClass(cls->isa);
}
if (PrintConnecting) {
_objc_inform("CLASS: found category +%s(%s)",
getName(cls), cat->name);
}
}
}
}
首先，我们拿到的catlist就是上节中讲到的编译器为我们准备的category_t数组，关于是如何加载catlist本身的，我们暂且不表，这和category本身的关系也不大，有兴趣的同学可以去研究以下Apple的二进制格式和load机制。
略去PrintConnecting这个用于log的东西，这段代码很容易理解：
1)、把category的实例方法、协议以及属性添加到类上
2)、把category的类方法和协议添加到类的metaclass上
值得注意的是，在代码中有一小段注释 / || cat->classProperties /，看来苹果有过给类添加属性的计划啊。
ok，我们接着往里看，category的各种列表是怎么最终添加到类上的，就拿实例方法列表来说吧：
在上述的代码片段里，addUnattachedCategoryForClass只是把类和category做一个关联映射，而remethodizeClass才是真正去处理添加事宜的功臣。
static void remethodizeClass(class_t *cls)
{
category_list *cats;
BOOL isMeta;
rwlock_assert_writing(&runtimeLock);
isMeta = isMetaClass(cls);
// Re-methodizing: check for more categories
if ((cats = unattachedCategoriesForClass(cls))) {
chained_property_list *newproperties;
const protocol_list_t **newprotos;
if (PrintConnecting) {
_objc_inform("CLASS: attaching categories to class '%s' %s",
getName(cls), isMeta ? "(meta)" : "");
}
// Update methods, properties, protocols
BOOL vtableAffected = NO;
attachCategoryMethods(cls, cats, &vtableAffected);
newproperties = buildPropertyList(NULL, cats, isMeta);
if (newproperties) {
newproperties->next = cls->data()->properties;
cls->data()->properties = newproperties;
}
newprotos = buildProtocolList(cats, NULL, cls->data()->protocols);
if (cls->data()->protocols & cls->data()->protocols != newprotos) {
_free_internal(cls->data()->protocols);
}
cls->data()->protocols = newprotos;
_free_internal(cats);
// Update method caches and vtables
flushCaches(cls);
if (vtableAffected) flushVtables(cls);
}
}
而对于添加类的实例方法而言，又会去调用attachCategoryMethods这个方法，我们去看下attachCategoryMethods：
static void
attachCategoryMethods(class_t *cls, category_list *cats,
BOOL *inoutVtablesAffected)
{
if (!cats) return;
if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats);
BOOL isMeta = isMetaClass(cls);
method_list_t **mlists = (method_list_t **)
_malloc_internal(cats->count * sizeof(*mlists));
// Count backwards through cats to get newest categories first
int mcount = 0;
int i = cats->count;
BOOL fromBundle = NO;
while (i--) {
method_list_t *mlist = cat_method_list(cats->list[i].cat, isMeta);
if (mlist) {
mlists[mcount++] = mlist;
fromBundle |= cats->list[i].fromBundle;
}
}
attachMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle, inoutVtablesAffected);
_free_internal(mlists);
}