【iOS小结】Runtime

一.Runtime简介

C语言中，在编译期，函数的调用就会决定调用哪个函数。而OC的函数，属于动态调用过程，在编译期并不能决定真正调用哪个函数，只有在真正运行时才会根据函数的名称找到对应的函数来调用。
Objective-C 是一个动态语言，这意味着它不仅需要一个编译器，也需要一个运行时系统来动态得创建类和对象、进行消息传递和转发。Runtime 就是这么一个主要使用 C 和汇编写的运行时库。

二.深入解析Objective-C

1. 类和对象（如何面向对象）

我们可以在Runtime文件里看到类（objc_class）和对象（objc_object）的底层实现。Class 是一个 objc_class 结构类型的指针, id是一个 objc_object 结构类型的指针（这也就是为什么能用id类型表示任何对象的原因）。

/*   类   */
typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class : objc_object {
    Class isa;            
    Class superclass;          // 父类的指针
    cache_t cache;             // 存储方法缓存的结构体cache_t
    class_data_bits_t bits;    // 最终指向一个存储数据的结构体class_ro_t
}

/*   对象   */
typedef struct objc_object *id;
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa;
};

/*  存储方法缓存的结构体  */
struct cache_t {
    struct bucket_t *_buckets;//用来缓存 bucket 的总数
    mask_t _mask;//目前实际占用的缓存 bucket 的个数
    mask_t _occupied;//一个散列表，用来方法缓存,包含 key 以及方法实现 IMP
};

/*  存储数据（方法列表，成员变量列表，协议列表）的结构体  */
struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize; //实例大小
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif
    const uint8_t * ivarLayout;
    
    const char * name;
    method_list_t * baseMethodList;//方法列表
    protocol_list_t * baseProtocols;//协议列表
    const ivar_list_t * ivars;//实例变量列表，const是存储在只读区，这也是分类添加不了实例变量的原因

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;//属性列表
};

objc_object中有一个Class类型的指针isa，所以常说所有对象都会包含isa指针。objc_class继承于objc_object，其中也包含一个isa指针，所以说类本质上也是一个对象。
class保存了方法列表，还有指向父类的指针。但class也是object，也会有isa变量，那么它又指向哪儿呢？这里就引出了第三个类型: metaclass。object的isa指向class，class的isa指向metaclass。
以下是一副经典的图，清楚说明了对象、类、元类之间的关系。

对象、类、元类关系图.png

isa的走向（用来找方法）
当一个对象的实例方法被调用时，会通过isa找到相应的类，然后在该类的class_data_bits_t中去查找方法，class_data_bits_t是指向类的数据区域，在数据区域查找相应方法的实现。对象的实例方法调用时，通过对象的 isa 在类中获取方法的实现。类对象的类方法调用时，通过类的 isa 在元类中获取方法的实现。
superclass的走向（用来找父类）

所以我们可以从图中看出（蓝色字体是我举的例子）：

1. 所有类（包括元类）的superclass的指针最终指向NSObject，NSObject没有父类，所以superclass指针指向nil。
   2.所有的isa指针最终指向NSObject元类，NSObject元类的isa指针指向自己，形成一个闭环。

2. 消息分发（如何发消息）

在 Objective-C 中的“方法调用”其实应该叫做消息传递。消息有“名称”和“选择子”，可以接受参数，而且可能有返回值。
给对象发送消息可以这样写：

id returnValue = [someObject messageName:paramter];

本例中，someObject叫做“接收者”，messageName叫做“选择子”，选择子和参数合起来叫“消息”。编译器看到此消息后，会将其转换成一条标准的C语言函数调用，所调用的函数是消息传递机制的核心函数objc_msgSend。

void objc_msgSend(id self,SEL cmd,...)

这是个参数可变的函数，第一个参数代表接收者，第二个参数代表选择子（SEL是选择子的类型），后续参数就是消息中的那些参数。编译器会把例子中的消息转换成如下函数。

objc_msgSend(someObject,@selector(messageName:),paramter);

objc_msgSend函数会依据接收者和选择子的类型来调用适当的方法。首先，需要在接收者所属的类中搜寻其方法列表，如果能找到与选择子名称相符的方法，就跳至其实现代码。若是找不到，那就沿继承体系继续向上查找，等找到合适的方法再进行跳转。如果最终还是找不到相符的方法，那就执行“消息转发”操作（后续会说明）。
当然，每个类里面都有一块缓存来保存匹配的结果，这样稍后还想该类发同一消息就可以从缓存中获取。

/*  存储方法缓存的结构体  */
struct cache_t {
    struct bucket_t *_buckets;//用来缓存 bucket 的总数
    mask_t _mask;//目前实际占用的缓存 bucket 的个数
    mask_t _occupied;//一个散列表，用来方法缓存,包含 key 以及方法实现 IMP
};

/* 方法缓存的散列表 */
struct bucket_t {
private:
    cache_key_t _key;
    IMP _imp;
｝

objc_msgSend方法会先从缓存表里，查找是否有该 SEL 对应的 IMP，有的话直接通过函数指针 IMP ，找到方法的具体实现函数执行，没有的话才去搜寻其方法列表。如果有找到去执行，并将该方法保存在bucket_t中。
当然，objc_msgSend只能处理部分消息的调用过程，有的消息则需要其他函数来处理。比如：

• objc_msgSend_stret（要返回结构体）
• objc_msgSend_fpret（要返回浮点型）
• objc_msgSendSuper（要给超类发消息）

3. 消息转发（接收到无法解读的消息怎么办）

在上面提到的发送消息过程中，选择子在当前类和父类中都没有找到实现，就会进入消息转发。
消息转发有两个阶段。
① 动态方法解析
征询接收者，所属的类，看其是否能动态添加方法，以处理当前这个未知的选择子。对象在收到无法解读的消息后，会调用其所属类的以下方法：

//如果是对象方法调用这
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel;

//如果是类方法调用这
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel;

举个动态添加属性存取方法的例子：

id autoDictionaryGetter(id self,SEL _cmd);
void autoDictionarySetter(id self,SEL _cmd,id value);

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
    NSString *selString = NSStringFromSelector(sel);
    if (/* selector is from  a @dynamic property */) {
        if ([selString hasPrefix:@"set"]) {
            /*
             * i：返回值类型int，若是v则表示void
             * @：参数id(self)
             * :：SEL(_cmd)
             * @：id(str)
             */
            class_addMethod(self, sel, (IMP)autoDictionarySetter, "v@:@");
        }else{
            class_addMethod(self, sel, (IMP)autoDictionaryGetter, "@@:");
        }
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

当接收者没动态添加方法处理该未知选择子时，会询问能不能把这条消息转给其他接收者处理（备胎接收者）。

//参数是选择子，返回值是备胎接收者，若找不到，就返回nil
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;

我们常用“组合”来模拟“多继承”。假如有个在student对象包含teacher，student无法处理的消息可以转移给teacher让它去处理。

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
    if ([_teacher respondsToSelector:aSelector]) {
        return _teacher;//备胎就是老师了
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

②完整的消息转发机制
当以上方法没有实现响应，就会通过完整的消息转发机制来做了。
首先创建NSInvocation 对象，把尚未处理的那条消息相关的全部细节封装于其中。NSInvocation是命令模式的一种传统实现，它把一个目标，一个选择器，一个方法签名和所有的参数都塞进对象中。当NSInvocation被调用时，它会发送消息，OC运行时会找到正确的方法实现来执行。

NSMutableSet *set = [NSMutableSet set];
NSString *parameter = @"parameter";
SEL selector = @selector(addObject:);

NSMethodSignature *signature = [set methodSignatureForSelector:selector];
NSInvocation *invocation = [NSInvocation invocationWithMethodSignature:signature];
[invocation setTarget:set]; //设置目标
[invocation setSelector:selector]; //设置选择子
[invocation setArgument:¶meter atIndex:2];//设置参数（0是目标，1是选择子，2后是参数）
//[invocation retainArguments];保留参数不被释放
[invocation invoke];//调用

其中，NSMethodSignature（方法签名）了一个方法的返回类型和参数类型，但不包括方法名。

//可以这样手动创建，但一般不这么用
NSMethodSignature *signature = [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"@@:"];

/*  正确的创建方法  */
SEL initSEL = @selector(init);
SEL allocSEL = @selector(alloc);

//从对象中获取实例方法签名
NSMethodSignature *initSig = [@"String" methodSignatureForSelector:initSEL];
//从类中获取实例方法签名
NSMethodSignature *initSig = [NSString instanceMethodForSelector:initSEL];

//从类中获取类方法签名
NSMethodSignature *allocSig = [NSString methodSignatureForSelector:allocSEL];

我们举个举个例子来说明，创建一个蹦床类来将消息弹给它的目标对象。

#import "Trampoline.h"
@interface Trampoline()
@property(nonatomic,strong)id  target;
@end

@implementation Trampoline
- (id)initWithTarget:(id)target{
    if (self = [super init]) {
        _target = target;
    }
    return self;
}

#pragma mark - 消息转发机制
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
    return [self.target methodSignatureForSelector:aSelector];
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
    //让目标对象去调用该方法
    [anInvocation setTarget:_target];
    [anInvocation retainArguments];
    //可以在主线程调用或直接调用
    [anInvocation performSelectorOnMainThread:@selector(invoke) withObject:nil waitUntilDone:NO];
}

然后我们这样调用（当然前提是目标类能实现该方法）：

id trampoline = [[Trampoline alloc] initWithTarget:student];
[trampoline doSomeThing];

不过，只改变调用目标，跟前面所说的备胎接收者所实现的方法等效。所以到这一步比较有用的实现方式是：在触发消息前，先以某种方式改变消息内容，比如追加另外的参数，或改变选择子等等。

以下这张流程图描述了转发机制处理消息的各个步骤。接收者在每一步中均有机会处理消息，步骤越往后，处理消息的代价越大。最好是在第一步就处理完，即使要把消息转给备援者，也要放在第二步较为简单，不用生成NSInvocation。

消息转发.png

我们来总结一下消息传递的所有流程（消息分发和消息转发）:
① 检查对象是否为nil，如果是调用nil处理程序。
② 检查类缓存中是不是有方法实现了，如果找到，调用方法实现。
③ 比较请求的选择子和父类中定义的选择子，然后是父类的父类，以此类推，如果找到选择子，调用方法实现。
④ 调用resolveInstanceMethod：（或对应类方法）。返回YES，那么从新开始。这一次对象会找到这个选择子，因为已经经过class_addMethod。
⑤ 调用forwardingTargetForSelector:,如果返回非nil，就把消息发送到返回的对象上。不要返回self，会造成死循环。
⑥ 调用methodSignatureForSelector:，如果返回非nil，创建一个NSInvocation并传给forwardInvocation:。
⑦ 调用doesNotRecognizeSelector:,默认的实现是抛出异常。

三.Runtime的应用

runtime有很多api我们经常用到：
class

/* 修改类(以add开头) */
class_addIvar;
class_addProperty;
class_addMethod;
class_addProtocol;

/* 获取类中的所有内容（一般是数组）以copy开头*/
class_copyIvarList;
class_copyPropertyList;
class_copyMethodList;
class_copyProtocolList;

/* 获取类中的单个内容（以get开头）*/
class_getName;
class_getSuperclass;
class_getProperty;
class_getClassMethod;
    
/* 还有一些判断，替换，创建实例的方法*/
class_createInstance;
class_conformsToProtocol;
class_replaceMethod;
class_respondsToSelector;

objc

/* 获取设置实例变量 */
object_getIvar;
object_setIvar;

/* 获取设置类 */
object_getClass;
object_setClass;

ivar

ivar_getName;          //获取名字
ivar_getOffset;        //获取内存地址
ivar_getTypeEncoding;  //获取type encoding

property

property_getName;        //获取名字
property_getAttributes;  //获取所有属性信息（是否是atomic，getter/setter名字，是否弱引用）

method

method_getName;
method_getReturnType;

/* 方法交换常用 */
method_setImplementation;
method_getImplementation;
method_exchangeImplementations;

sel

sel_getName;    //获取名字
sel_registerName;  //注册方法

protocol
Protocols有点像Classes，运行时的方法是一样的。可以获取method, property, protocol列表, 检查是否实现了其他的protocol。

接下来，我们举几个runtime常见的应用：
① 方法交换（Method Swizzling）→交换IMP
② 动态继承、交换（ISA Swizzling）→改变ISA

方法交换（Method Swizzling）
我们知道了运行时会发消息给对象。一个对象的class保存了方法列表。class的方法列表其实是一个字典，key为selectors，IMPs为value，一个IMP是指向方法在内存中的实现。selector和IMP之间的关系是在运行时才决定的，而不是编译时。所以可以通过交换IMP来实现交换方法，从而达到重写某个方法而不用继承，同时还可以调用原先的实现的目的（面向切面编程的一个应用）。
我们先来看看一下Runtime中方法（Method）的构成，方法交换的本质就是交换Method里面的IMP指针。

typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name;       //选择子（方法名）
    char * _Nullable method_types;  //该方法参数的类型
    IMP _Nonnull method_imp;        //函数指针
}          

接下来书写代码,将viewWillAppear:换成我们自己写的方法，同时也调用原来的方法，然后在方法中加入一些处理（比如监测、统计数据）：

#import "UIViewController+MethodSwizzling.h"
#import 

@implementation UIViewController (MethodSwizzling)

+ (void)load{
    Method oldMethod = class_getInstanceMethod(self, @selector(viewWillAppear:));
    Method newMethod = class_getInstanceMethod(self, @selector(yc_viewWillAppear:));
    method_exchangeImplementations(oldMethod, newMethod);
    
}

- (void)yc_viewWillAppear:(BOOL)animated{
    [self yc_viewWillAppear:animated];
    NSLog(@"添加监测代码");
}
@end

方法交换原理图.png

动态继承、交换（ISA Swizzling）
我们可以在运行时创建一个新的类,我们能通过它创建新的子类，并添加新的方法。

//动态创建对象（类也是对象）（创建一个Student类，继承NSObject）
Class Student = objc_allocateClassPair([NSObject class], "Student", 0);

//使用Block作为方法的IMP
IMP myIMP = imp_implementationWithBlock(^(id _self,NSString *string){
    NSLog(@"Hello %@",_self);
});
//为该类增加report的方法
class_addMethod(Student, @selector(report), myIMP, "v@:");

//注册该类
objc_registerClassPair(Student);

//创建student对象
id student = [[Student alloc] init];
[student report];

但是能这个动态创建子类有什么用呢？object内部有一个叫做isa的变量指向它的class。我们可以改变一个实例的isa指向，让它指向我们创建的类。可以通过以下命令来修改一个object的class：

object_setClass(myObject, [MySubclass class]);

我们来举个例子：

#import "MyNotificationCenter.h"

@implementation MyNotificationCenter
- (void)addObserver:(id)observer selector:(SEL)aSelector name:(NSNotificationName)aName object:(id)anObject{
    NSLog(@"adding observer:%@",observer);
    [super addObserver:observer selector:aSelector name:aName object:anObject];
}
@end

#import "NSObject+ISASwizzle.h"
#import 

@implementation NSObject (ISASwizzle)
- (void)yc_setClass:(Class)aClass{
    NSAssert(class_getInstanceSize([self class]) == class_getInstanceSize(aClass), @"Classes must to be same size to swizzle");
    object_setClass(self, aClass);
}
@end

NSNotificationCenter *center = [NSNotificationCenter defaultCenter];
[center yc_setClass:[MyNotificationCenter class]];
[center addObserver:self selector:@selector(test) name:@"test" object:nil];

这样在该类中的center实例就变成我们自己的实例，可以在添加观察者或调用其他方法时加入我们自己的代码。Cococa框架中的KVC也是基于此原理，当你开始观察一个object时，Cocoa会创建这个object的class的subclass，subclass重写监听属性的set方法，然后将这个object的isa指向新创建的subclass，从而属性改变时都会调用我们创建的subclass的该属性的set方法。
有一点需要注意的是，我们创建的子类大小要和原本的类大小一致，也就是说不能生成ivar或属性，因为被混写的对象已经分配好，如果添加ivar，那么它们就会指向已分配内存外的区域，那么很容易覆盖内存中这个对象后面对象的isa指针。

我们来总结一下方法交换和ISA交换的特点，以便清晰它们的使用范围：

方法交换

• 影响一个类的所有实例
• 所有对象的类都不变
• 需要特殊的覆盖方法来实现

ISA交换

• 只影响目标实例
• 对象的类会变化
• 覆盖方法是用子类的方法