《52个有效方法》笔记3——探究runtime

前言

Objective-C是一门动态性语言,它动态性质的根源就在于runtime,OC也因runtime而强大。


类和对象的数据结构

我们来看看NSObject.h中NSObject类的定义:

@interface NSObject  {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

可以看到NSObject有个Class类型的isa属性,那这个Class类型是什么呢?我们跳入Class查看:

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

可以看到Class其实是个指向objc_class结构体的指针,那objc_class又是什么东西呢?我们跳入它继续查看:

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;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

这就是objc_class结构体的真面目了。上面代码最后一句也说了“User 'Class' instead of 'struct objc_class *'”。

** Class super_class代表本类的超类;Class isa叫做“元类”,用来表述类对象本身所具备的元数据。**

好了,我们串起来可以描述为:
每个Objective-C对象的内部都默认有个Class类型的isa指针,这个Class其实指向了一个叫做objc_class的结构体。而这个objc_class结构体里有好多字段,分别记录着该类的一些信息。这些信息是非常有价值的。关于这些字段的意义及作用我们后面将慢慢道来。

思考:
为什么objc_class结构体的第一个成员仍是指向Class的isa指针?
这说明了类自身也是个对象,既然如此,那它同样得有个默认的isa属性用来记录它的一些信息。不过“类对象”指向的是“元类”(metaclass)。“元类”也是个对象,那么它也应该有个isa指针,但元类的isa指针指向谁呢?
为了不让这种结构无限延伸下去,Objective-C的设计者让所有的meta-class的isa指向基类的meta-class,以此作为它们的所属类。即,任何NSObject继承体系下的meta-class都使用NSObject的meta-class作为自己的所属类,而基类的meta-class的isa指针是指向它自己。这样就形成了一个完美的闭环。

为什么我们要先说明OC对象的数据结构,因为正是基于OC对象这样的数据结构,它才得以有动态性。OC对象的isa指针记录了这个对象的详细信息,诸如它所属的类,它都有哪些方法等等。


查询类型信息:自省


调用方法的本质:消息传递机制

    NSMutableArray *arr = [NSMutableArray array];
    [arr addObject:@"wang66"];

OC中调用方法的本质是消息传递。上面代码arr调用了addObject:方法。其实就是给arr对象发送了addObject:消息。arr对象叫做“接收者”,方法名和参数合起来叫做“选择子”。
OC中调用了一个方法在程序底层其实是执行了C的objc_msgSend(id self, SEL op, ...)方法。

    NSMutableArray *arr = [NSMutableArray array];
    objc_msgSend(arr, @selector(addObject:), @"wang66");
    NSLog(@"arr.count_______%ld",arr.count);
2015-12-13 18:40:43.745 WangDemo[3783:76953] arr.count_______1

但是,objc_msgSend(id self, SEL op, ...)这个方法干了什么?先不急,是这样的:

isa指针中有个字段叫“方法调度表”,可以简单的理解为它是一个键值对,键为SEL(哈希化的方法名,是个字符串),值为IMP(函数指针,它指向的是方法的实现代码)。

objc_msgSend(arr, @selector(addObject:), @"wang66");

这句代码其实就是查找接收者对象arr的方法调度表中是否有@selector(addObject:)这个key,若有,就跳至相应的实现代码;若无,就沿着继承体系继续往上查找。

方法调用的基本原理就是这样,但是真实情况要比这个稍微复杂一点,因为isa指针中还有个“方法缓存列表”,执行过的方法映射关系会存于此。因此,真实的步骤是,先去“方法缓存列表”中查找有无此方法的缓存,若有则非常好,就不用去查找“方法调度表”了,这样提升了性能。


消息转发

我们上面已经讲了OC调用方法就是消息传递,即接收者在自己的方法调度表中查找是否有有该SEL,若无就沿着继承体系往上继续查找。可是,若它的父类也没有该SEL,该SEL是个无法解读的消息呢?
我在Car类中只定义而未实现eatFood方法,当car调用eatFood方法时程序便会crash,错误日志其实大家已经很熟悉了。

    Car *car = [[Car alloc] init];
    [car eatFood];
 Terminating app due to uncaught exception 'NSInvalidArgumentException', reason: '-[Car eat]: unrecognized selector sent to instance 0x7ff7f1c0ba00'

所谓消息转发,就是当该对象找不到相应的调用方法,眼看程序就要crash掉,而预留的一种防crash机制,该机制提供了几套方案供开发者使用来防止程序crash。

  • 方案1:动态方法解析。开发者可以在当前类实现下面方法,在该方法里动态地为该对象添加对象方法(或者为该类动态地添加类方法)。
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel // 针对对象方法
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel // 针对类方法

例如:我们在Car.m中先实现了eatFood方法,然后在resolveInstanceMethod方法里动态地添加给该对象。(动态地添加方法后面将会讲到)

#import "Car.h"
#import 

@implementation Car

// eatFood的实现
void eatFood(id self, SEL _cmd)
{
    NSLog(@"%@-------%s",self, sel_getName(_cmd));
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
    if(sel == @selector(eatFood))
    {
        class_addMethod(self, sel, (IMP)eatFood, "v@:");
        return YES;
    }
    
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

@end

我们再运行代码,就完美执行了car的eatFood方法,因为我们在这个时机动态地给Car添加了eatFood这个方法。

2015-12-13 22:40:34.377 WangDemo[7272:162113] -------eatFood
  • 方案2:求助于其他对象。若错过了方案1动态地给该对象添加方法,那调用自己的方法这条道已经无路可走了,只能借助别的对象了。开发者可以实现下面这个方法,将调用eatFood这个方法交给其他对象处理。

为此,我新建了People类,并在其中实现了eatFood方法:

#import "People.h"

@implementation People

- (void)eatFood
{
    NSLog(@"%@-----people can eatFood",self.class);
}

@end

然后我实现- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector方法,求助于People类来处理,因为它实现了eatFood方法。

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
{
    return [[People alloc] init];
}

OK,程序完美运行!

2015-12-13 22:51:39.111 WangDemo[7594:169888] People-----people can eatFood
  • 方案3:
    通过- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector方法生成方法签名,这个签名就是给- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation调用的。
    一开始我们的程序之所以crash掉就是因为没有找到Car的eatFood方法的实现而在第一个方法中返回了空的方法签名,最终导致crash的。那我们现在弥补措施的思路就是:自己在第一个方法中手动生成签名,然后在第二个方法中用你要转发给的那个对象(people)调用这个方法签名,这样同样实现了消息转发。
#import "Car.h"
#import 
#import "People.h"

@implementation Car

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector
{
    NSString *sel = NSStringFromSelector(aSelector);
    if([sel isEqualToString:@"eatFood"])
    {
        // 手动生成签名
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
    }
    
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}


- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation
{
    // 得到我们手动生成的方法签名
    SEL selector = [invocation selector];
    // 新建需要转发给的对象
    People *people = [[People alloc] init];
    if([people respondsToSelector:@selector(selector)])
    {
        // 换醒这个方法
        [invocation invokeWithTarget:people];
    }
}

@end

关于生成签名的类型"v@:"解释一下。每一个方法会默认隐藏两个参数,self、_cmd,self代表方法调用者,_cmd代表这个方法的SEL,签名类型就是用来描述这个方法的返回值、参数的,v代表返回值为void,@表示self,:表示_cmd。

好了,我们回首来梳理一下消息转发:按理说当OC调用一个方法时,会在该对象的“方法调度表”中查找该方法,但是该类和父类都没有找到该方法的实现。此时,若代码中我们没做相应的处理,那就是日了狗,程序会crash掉,错误日志告诉你找到这个方法。系统为了防范crash,就给开发者提供了上述3种防范方案。


Method Swizzing

我们上面已经讲了,OC对象都有一个isa指针,该指针指向一个方法调度表,它存储着该对象的方法。并且,它的形式是键值对,key为SEL,value为IMP。

既然如此,那我们可以在SEL和IMP的映射上做文章。也就是说我可以人为地改变SEL和IMP之间的映射关系。
这样做有什么意义吗?嗯,意义很大。我们可以把原有的类和我们自定义类的映射对调,那这样,即使我们在代码里调用的是原有类的方法,但暗地里却神不知鬼不觉地在执行我们自定义的方法。哈哈,说得有些玄乎了。
其实,在实践中Method Swizzing可以完成AOP或者对原有类的拓展。
下面看例子:我们想在UIImage每次创建图片成功后打印一下反馈信息。


《52个有效方法》笔记3——探究runtime_第1张图片
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动态的创建类,添加属性,添加方法

这个后面再更新吧...该睡觉了...

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