简要简介
Objective-C是基于C语言加入了面向对象特性和消息转发机制的动态语言，这意味着它不仅需要一个编译器，还需要Runtime系统来动态创建类和对象，进行消息发送和转发。
当执行[object doSomething]会被编译器转化为：objc_msgSend(receiver, selector) 如果消息含有参数，则为，objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)
如果消息的接受者能够找到对应的selector，那么就直接执行这个方法；否则，消息要么被转发，或者临时向接受者动态添加这个selector对应的实现内容；如果最后没有找到任何解决办法，就干脆崩溃掉。
最后，可以看出[object doSomething]真不是一个简简单单的方法调用。因为这只是在编译阶段确定了要向接受者发送doSomething这条信息，而object如何响应这条信息，那就要看运行时发生的情况来决定了。
iOS RunTime之二：数据结构
objc_class、元类（Meta Class）、SEL、IMP、Method、Ivar
SEL：Objective-C在编译时，会依据每个方法的名字、参数序列，生成一个唯一的整型标识（int类型的地址）这个标识就是SEL。在本质上，SEL只是一个指向方法的指针（被hash化得KEY值），能提高方法的查询速度。
IMP：就是Implementation的缩写，本质就是一个函数指针，这个被指向的函数包含一个接收消息的对象id，调用方法的SEL，以及一些方法参数，并返回一个id。因此我们可以通过SEL获得它所对应的IMP，在取得了函数指针之后，也就意味着我们取得了需要执行方法的代码入口，这样我们就可以像普通的C语言函数调用一样使用这个函数指针。
Method：
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE;
IMP method_imp 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。
Ivar：是一种代表类中实例变量的类型。
struct objc_ivar {
char *ivar_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *ivar_type OBJC2_UNAVAILABLE;
int ivar_offset OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}
Cache：是一个存储Method的链表，主要是为了优化方法调用的性能。
iOS RunTime之三：消息发送
objc_msgSend它具体是如何发送消息:
- 检查selector是否需要忽略。
- 检查target是否为nil。如果为nil，直接cleanup，然后return。这就是我们可以向nil发送消息的原因。
- 然后再target的Class中根据Selector去找IMP。
- 寻找IMP的过程：
1、先从当前class的cache方法列表（cache methodLists）中去找；
2、找到了，就调到对应函数实现；
3、没找到，没就从class的方法列表（methodLists）中找；
4、还没找到，就到super class中重复上述步骤找，直到找到基类（NSObject）为止
5、最后再找不到，就会进入动态方法解析和消息转发的机制。
理解：
Objective-C的动态绑定：消息的发送其实就是先确定object接受者对象，然后根据isa指针查找其方法然后跳转过去并执行。但是编译期间，是无法确定object接受者对象。只有在程序运行期间，object接受者对象才能得到确定。这种在运行期间才确定object接受者对象，Objective-C称为动态绑定。
C++或者Java调用对象的函数，函数与对象之间的关系，在编译期间就必须严格确定。
消息发送的机制使得在不重新编译的情况下，在运行期间，干预或者说hook原来的target（方法、变量等）变得更易于实现，更有实际应用价值，这个是需要依赖于消息发送和动态绑定的实现机制——Runtime。
iOS RunTime之四：消息转发
消息发送和消息转发流程可以概括为：消息发送是 Runtime 通过 selector 快速查找 IMP 的过程，有了函数指针就可以执行对应的方法实现；消息转发是在查找 IMP 失败后执行一系列转发流程的慢速通道，如果不作转发处理，则会打日志和抛出异常。
消息转发过程：
1、动态方法解析
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel;
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel;
举例：
void dynamicMethodIMP(id self, SEL _cmd){
//实现...
}
+ （BOOL）resolveInstanceMethod:(SEL)aSEL{
if(aSEL == @selector(resolveThisMethodDynamically)){
class_addMethod([self class], aSEL, (IMP) dynamicMethodIMP, "v@:");
return YES;
}
return [super resolveInstanceMethod:aSEL];
}
2、重定向
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;
在消息转发机制执行前，Runtime 系统会再给我们一次偷梁换柱的机会，即通过重载- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector方法替换消息的接受者为其他对象：
- (id) forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
if(aSelector == @selector(mysteriousMethod:)){
return alternateObject;
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
3、转发
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation;
实现转发简单代码
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
NSString *sel = NSStringFromSelector(aSelector);
if ([sel isEqualToString:@"fly"]) {
//signatureWithObjcTypes 手动生成签名
return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
}
return [super methodSignatureForSelector: aSelector];
}
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
Car *car = [[Car alloc] init];
if([car respondsToSelector:[anInvocation selector]]){
[anInvocation invokeWithTarget:car];
}
}
1、methodSignatureForSelector用来生成方法签名，这个签名就是给forwardInvocation中的参数NSInvocation调用的。
2、unrecognized selector sent to instance，原来就是因为methodSignatureForSelector这个方法中，由于没有找到fly对应的实现方法，所以返回了一个空的方法签名，最终导致程序报错崩溃。
iOS RunTime之五：Category不能动态添加成员变量
- 为什么Category中不能动态添加成员变量？
在runtime函数中，确实有一个class_addIvar()函数用于给类添加成员变量，但是阅读过苹果的官方文档的人应该会看到：
This function may only be called after objc_allocateClassPair and before objc_registerClassPair. Adding an instance variable to an existing class is not supported.
大概的意思说，这个函数只能在“构建一个类的过程中”调用。一旦完成类定义，就不能再添加成员变量了。经过编译的类在程序启动后就被runtime加载，没有机会调用addIvar。程序在运行时动态构建的类需要在调用objc_registerClassPair之后才可以被使用，同样没有机会再添加成员变量。
- 为什么不能为一个类动态的添加成员变量，可以给类动态增加方法和属性？
因为方法和属性并不“属于”类实例，而成员变量“属于”类实例。我们所说的“类实例”概念，指的是一块内存区域，包含了isa指针和所有的成员变量。所以假如允许动态修改类成员变量布局，已经创建出的类实例就不符合类定义了，变成了无效对象。但方法定义是在objc_class中管理的，不管如何增删类方法，都不影响类实例的内存布局，已经创建出的类实例仍然可正常使用。
iOS RunTime之六：Category
代码介绍：
在runtime.h中查看定义：
typedef struct objc_category *Category;
是一个objc_category结构体，定义如下:
struct objc_category {
char *category_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *class_name OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list *instance_methods OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list *class_methods OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE;
}
objc源代码，在objc-runtime-new.h中我们可以发现：
struct category_t {
const char *name; //是指 class_name 而不是 category_name
classref_t cls; //要扩展的类对象，编译期间是不会定义的，而是在Runtime阶段通过name对应到对应的类对象
struct method_list_t *instanceMethods; //category中所有给类添加的实例方法的列表
struct method_list_t *classMethods;//category中所有给类添加的实例方法的列表
struct protocol_list_t *protocols;//category实现的所有协议的列表
struct property_list_t *instanceProperties;
//表示Category里所有的properties，这就是我们可以通过objc_setAssociatedObject
//和objc_getAssociatedObject增加实例变量的原因，不过这个和一般的实例变量是不一样的。
};
从上面的category_t的结构体中可以看出，分类中可以添加实例方法，类方法，甚至可以实现协议，添加属性，不可以添加成员变量。
Category和Extension的区别
1、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，你必须有一个类才能为这个类添加Extension，所以你无法为系统的类比如NSString添加Extension。
2、Category则完全不一样，它是在运行期决议的。
3、Extension可以添加属性、成员变量，而Category一般不可以。
总之，就Category和Extension的区别来看，Extension可以添加实例变量，而Category是无法添加实例变量的。因为Category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。
面试题
一般面试官有时候会问到这样的问题：
在类和Category中都可以有study方法，那么有两个问题：
- 在类的study方法调用的时候，我们可以调用Category中声明的study方法么？
- 如果一个类有多个分类的时候study方法，调用顺序是咋样的呢？
答：study方法的执行顺序是先类，后Category，而Category的study方法执行顺序是根据编译顺序决定的。
Category的方法没有“完全替换掉”原来类已经有的方法，也就是说如果Category和原来类都有methodA，那么category附加完成之后，类的方法列表里会有两个methodA
Category的方法被放到了新方法列表的前面，而原来类的方法被放到了新方法列表的后面，这也就是我们平常所说的Category的方法会“覆盖”掉原来类的同名方法，这是因为运行时在查找方法的时候是顺着方法列表的顺序查找的，它只要一找到对应名字的方法，就会罢休，殊不知后面可能还有一样名字的方法。