Runtime
因为Objc是一门动态语言,所以它总是想办法把一些决定工作从编译连接推迟到运行时。也就是说只有编译器是不够的,还需要一个运行时系统 (runtime system) 来执行编译后的代码。这就是 Objective-C Runtime 系统存在的意义,它是整个Objc运行框架的一块基石。
Runtime基本是用C和汇编写的,可见苹果为了动态系统的高效而作出的努力。你可以在这里下到苹果维护的开源代码。苹果和GNU各自维护一个开源的runtime版本,这两个版本之间都在努力的保持一致。
消息传递
在很多语言中,比如C,调用一个方法其实就是跳到内存中的某一点并开始执行一段代码。没有任何动态的特性,因为这在编译时就决定好了。而在Objective-C中,类似 [Receiver message]
这种语法并不会立即执行 message
这个方法的代码。 它是在运行时给 Receiver
发送一条叫 message
的消息。 这个消息,也许会被 Receiver
来处理,也许会被转发给另一个对象,或者没有对象处理最终被报错导致程序崩溃。
事实上,在编译时,我们所编写的 Objective-C
函数都会被翻译成一个C语言的函数调用。 - objc_msgSend(id self, SEL op, ...)
。
比如我们创建一个类 名字叫 Family
创建一个数组来存储我们生成的 Family
对象。
Family *family = [[Family alloc] init];
NSMutableArray *array = [NSMutableArray array];
接下去的两行代码是等价的
[array insertObject:family atIndex:0];
objc_msgSend(array, @selector(insertObject:atIndex:), family, 0);
在调用 objc_msgSend
这个方法时,我们先要包含 #import
这个头文件。 而且在编写 objc_msgSend
这个函数时,先去 TARGETS
- Build settings
- Apple LLVM 7.0
- Preprocessing
- Enable Strict Checking of objc_msgSend Calls
设置为NO。
从这里我们就能得到一个结论 objc_msgSend
能确定消息名以及参数数目。
消息传递的关键藏于 objc_object
中的 isa
指针和 objc_class
中的 class dispatch table
。
消息传递的过程
在 Objective-C 中
,类、对象和方法都是一个 C 的结构体,从 objc/objc.h
头文件中,我们可以找到他们的定义。
具体的定义分析可以在我的另一篇 解释 Runtime
中各种方法、属性的定义中去学习。
从这些定义中可以看出发送一条消息也就 objc_msgSend
做了什么事。举 objc_msgSend(array, @selector(insertObject:atIndex:), family, 0);
这个例子来说:
首先,通过array的isa指针找到它的class;(从之前的代码 得知是
NSMutableArray
类)在
class
的method list
中找insertObject:atIndex:
;如果
class
中 没有找到insertObject:atIndex:
这个方法, 继续前往它的SuperClass
中去找。一旦找到
insertObject:atIndex:
这个函数,就去执行它的实现IMP。
但这种实现有个问题,效率低。但一个 class
往往只有 20% 的函数会被经常调用,可能占总调用次数的 80% 。每个消息都需要遍历一次 objc_method_list
并不合理。如果把经常被调用的函数缓存下来,那可以大大提高函数查询的效率。这也就是 objc_class
中另一个重要成员 objc_cache
做的事情 - 再找到 insertObject:atIndex:
之后,把 insertObject:atIndex:
的 method_name
作为 key ,method_imp
作为 value 给存起来。当再次收到 insertObject:atIndex:
消息的时候,可以直接在 cache
里找到,避免去遍历 objc_method_list
。
方法的动态解析和转发
如果在 Family
类中,我运行了类中没有存在的 - familyName:
这个方法时。 会出现怎样的结果, 相信接下来的语句 每一个做过开发人员都应该见过 unrecognized selector sent to instance 0x7ffee1e90f00 。
但是在这个异常抛出之前,我们的 Objective-C
尝试过用三种方法来拯救我们的程序。
- Method resolution
- Fast forwarding
- Normal forwarding
Method Resolution
首先,Runtime 会调用 + (BOOL)resolveInstanceMethod:
这个方法,让你有机会提供一个函数实现。如果你添加了函数并返回YES,那么 Runtime 系统就会重新启动一次消息发送的过程。
以刚才我想实现的 - familyName:
这个方法为例。
我在 Family
类中这样重写了 + (BOOL)resolveInstanceMethod:
方法:
/**
* 里边有三个类型别名,在这儿先解释一下
SEL selector的简写,俗称方法选择器,实质存储的是方法的名称
IMP implement的简写,俗称方法实现,看源码得知它就是一个函数指针
Method 对上述两者的一个包装结构.
*
*/
void lostInstanceMethod(){
NSLog(@"this InstanceMethod was lost");
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
if (sel == @selector(familyName:)) {
class_addMethod([self class], sel, (IMP)lostInstanceMethod, nil);
return YES;
}
return [super resolveClassMethod:sel];
}
在当我执行了 objc_msgSend(family, @selector(familyName:), nil);
这句语句时,程序不出意外的打印出了 lostInstanceMethod()
函数中的那句话。
/**
* 这里当我们运行了类中没有存在的 familyName 这个方法时.
* Objective_C 运行时 会调用 + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
*/
/**
* 但是当我注销掉 + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel 这个方法后
* 编译通过之后程序崩溃 并不会进入 + (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel 这个方法
*/
objc_msgSend(family, @selector(familyName:), nil);
Fast forwarding
如果resolve方法返回了NO, 运行时就会移到下一步, 消息转发 (Message Forwarding)。
如果目标对象实现了 - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
, Runtime 这时就会调用这个方法,给你把这个消息转发给其他对象的机会。
如果这是我运行这样一行代码:
objc_msgSend(family, @selector(familyHouse:), nil);
我的 Family
类中并没有实现 - familyHouse:
这个方法,所以如果运行下去肯定会抛出异常代码 。
但是我新建了一个 FamilyHouse
类, 我在 FamilyHouse
这个类中实现了 -familyHouse:
。
#import "FamilyHouse.h"
@implementation FamilyHouse
- (void)familyHouse:(NSString *)house{
NSLog(@"this is my house");
}
@end
并且 我回到 Family
类中,重写 - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
方法 。
首先定义一个 House
的对象,并将它初始化,之后重写方法。
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
if (aSelector == @selector(familyHouse:)) {
return _house;
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
这时当 Runtime在当前类找不到 - familyHose:
这个方法时,就会调用 - forwardingTargetForSelector:
这个方法,将消息分发到属于 FamilyHouse
类的对象 house
去执行这个方法。
只要这个方法返回的不是 nil
和 self
,整个消息发送的过程就会被重启,当然发送的对象会变成你返回的那个对象。否则,就会继续 Normal Fowarding 。
这里叫 Fast ,只是为了区别下一步的转发机制。因为这一步不会创建任何新的对象,但下一步转发会创建一个 NSInvocation
对象,所以相对更快点。
Normal forwarding
这一步是 Runtime最后一次给你机会挽救程序。 首先它会发送 - (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector
这个消息来获取你转发消息的对象的函数参数和方法名。
如果 - (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector
这个方法返回 nil
,Runtime 则会抛出 - (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector
这个消息,当然,你的程序也就华丽丽的挂掉了。
如果是 - (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector
返回了一个函数签名, Runtime 就会创建一个 NSInvocation
对象,并执行 - (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
这个方法,转发消息给目标对象。
接着上面的 Fast forwarding 部分叙述,假如我在第二步,并没有重写 - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
这个方法我该怎么在最后一步完成拯救。
首先是完成函数签名这个方法,注意这里的 _house
对象,是我已经初始化好的 FamilyHouse
类的对象。
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
NSMethodSignature* signature = [super methodSignatureForSelector:aSelector];
if (!signature){
signature = [_house methodSignatureForSelector:aSelector];
}
return signature;
}
这步完成后,就会返回给程序一个函数签名,Runtime 就会创建一个 NSInvocation 对象并发送 -forwardInvocation:
消息给目标对象。
NSInvocation
实际上就是对一个消息的描述 ,包括方法名以及参数等信息。所以我们可以在 - (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
里修改传进来的 NSINvocation
对象, 然后发送 -invokeWithTarget:
的消息给他,传进去一个新的对象
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
SEL sel = anInvocation.selector;
if ([_house respondsToSelector:sel]) {
[anInvocation invokeWithTarget:_house];
}else {
[self doesNotRecognizeSelector:sel];
}
}
这个代码的运行结果 就跟之前一样了。
总结
Objective-C
中给一个对象发送消息会经过以下几个步骤:
在对象类的
dispatch table
中尝试找到该消息。如果找到了,跳到相应的函数IMP去执行实现代码;如果没有找到,Runtime 会执行
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
方法,尝试着去 resolve这个方法。如果 resolve 方法返回 NO,Runtime 就发送
-forwardingTargetForSelector:
允许你把这个消息转发给另一个对象;如果没有新的目标对象返回, Runtime 就会发送
-methodSignatureForSelector:
和-forwardInvocation:
消息。你可以发送-invokeWithTarget:
消息来手动转发消息或者发送-doesNotRecognizeSelector:
抛出异常。
利用 Objective-C 的 Runtime 特性,我们可以自己来对语言进行扩展,解决项目开发中的一些设计和技术问题。