RunTime底层了解

1.Runtime的简介

Runtime是一套C语言的API，封装了很多动态性相关的函数；OC的动态性就是由Runtime来支撑和实现的。

平时编写的OC代码，底层都是转换成了Runtime API进行调用。

具体应用：

• 利用关联对象给分类添加属性
• 遍历类的所有成员属性，动态修成其属性值（例如，修改textFile的占位文字颜色、字典转模型、自动归档解挡）
• 交换方法的实现
• 利用消息转发机制解决方法找不到的异常问题
• kvo和kvc等

2.isa详解

要学习runtime，首先要了解它底层的一些常用数据结构，比如isa指针。在arm64架构之前，isa就是一个普通的指针，存储着class、Meta-Class对象的内存地址；从arm64架构开始，对isa指针进行了优化，变成了一个共用体（union）结构体，还是用位域来存储更多的信息。

（1）通过源码查看arm64架构之前的isa类型，可以看到是class类型的，如下图：

查看arm64结构之后的isa类型，可以看到是isa_t类型的，如下图：

进入isa_t查看里面存放的类型，如下图：

从上图可以看出，如果是arm64的架构，就采用了优化后的isa类型了；并且是通过位域的运算方式来获取值的。至于位域的运算方式可以自行百度。其中isa占用了8个字节，每个字节由8位，所以isa占用了64位，从上图中，我们可以将1+1+33+6+1+1+1+19 算出刚好等于64位。现在，我们需要了解一下优化后的isa位域中每一位都表示了什么含义：

 

从上个表中，看到如果没有has_assoc和has_cxx_dtor会释放的更快，为什么这么说呢？找到objc的析构函数（也就是销毁的函数）的源码，如下：

/***********************************************************************
* objc_destructInstance
* Destroys an instance without freeing memory. 
* Calls C++ destructors.
* Calls ARC ivar cleanup.
* Removes associative references.
* Returns `obj`. Does nothing if `obj` is nil.
**********************************************************************/
void *objc_destructInstance(id obj) 
{
    if (obj) {
        // Read all of the flags at once for performance.
        bool cxx = obj->hasCxxDtor();
        bool assoc = obj->hasAssociatedObjects();

        // This order is important.
        if (cxx) object_cxxDestruct(obj);
        if (assoc) _object_remove_assocations(obj);
        obj->clearDeallocating();
    }

    return obj;
}

从源码中，我们可以知道，如果有C++的函数就调用object_cxxDestruct（）函数来清楚C++的函数；

如果有关联对象就调用_object_remove_assocations（）函数来清除关联的对象；

如果都没有，直接调用释放的函数，所以如果没有has_assoc和has_cxx_dtor会对象会释放的更快。

（2）需要注意的一点是, 如果用从isa中取出class的地址信息，怎么取呢？

首先，我们知道优化后的isa是共用体，通过位域运算获取值的，那么如果要通过位域运算获取class的地址信息的话，需要把isa的值&一个ISA_MASK的码，如下图：

方法如下：

其中Class的类型定义如下：

3.Class的结构

先看一张图：

上图主要是从优化后的结构说的！！！

3.1 class_rw_t 和 class_ro_t的结构

从上图中，可以看出objc_class 存放了一个class_data_bits_t的结构体的字段bits，这个字段用于获取具体的类信息。这个字段通过&FAST_DATA_MASK来获取class_rw_t结构体的数据信息，源码如下：

点击查看bits.data（）这个方法，源码如下：

点击class_rw_t，查看class_rw_t结构体存放的信息如下：

点击查看class_ro_t的结构体如下：

class_rw_t 里面的methods、properties和protocols 数二维数组，可读可写。点击查看class_rw_t里面的method_array_t的结构体如下：

可以看出method_array_t类型的methods是二维数组，可读可写，包含了类初始化内容和分类的内容，二维数组放的数据结构如下：

从上图可以看出，methods的数组是先存放method_list_t 类型的数组，method_list_t 存放的是method_t结构类型的数组。以此类推properties和protocols存放的数据结构。

而class_ro_t里面的baseMethodList、baseProtocols、ivars、baseProperties是一维数组，是只读的，包含了类的初始内容。

问题来了，既然class_rw_t 里有 methodlist、protocols这些数据，class_ro_t 里面也有baseMethodsList等这些数据，那么这两种有什么区别呢？

先看源码：

通过源码可以看出，当创建实例对象时，是先把类中的属性和方法先存放到class_ro_t里面的，当有分类时，才会把class_ro_t里面的数据复制一份放到class_rw_t里面的methods里面去。

3.2 method_t的了解

从3.class_rw_t和class_ro_t中的源码查看，需要知道的是：method_t是对方法\函数的封装，method_t的结构体通过源码可查看到如下图：

（1）SEL代表方法（函数名），一般叫做选择器，底层结构跟char *类似。

• 可以通过@selector（）或者sel_registerName()获得；
• 可以通过sel_getName()和NSStringFromSeletor()转成字符串
• 不同类中相同名字的方法，所对应的方法选择器是相同的

（2）IMP代表了函数的具体实现

typedef id -Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ....)

(3)types  类型编码（types EnCoding）：包含了返回值类型和参数的类型

为了便于理解上面的types中的类型编码，请前往这里了解一下类型编码。

4.cache_t的结构体

了解完class_rw_t 的结构体后，就要看看cacht_t的结构体了。Class内部结构中有个方法缓存（cache_t），用散列表来缓存曾经调用过的方法，可以提高方法的查找速度：

这里的cache 是指类的方法缓存。

4.1 为什么要有方法缓存？

我们知道，方法的调用其实从通过isa指针找到类对象的方法列表，在类对象的方法列表中如果没有找到该方法，就通过superClass找父类的方法列表是否有这个方法，如果没有的话，继续往上找，直到根类的方法列表也没有才会结束；但是如果找到了就会直接返回。如下图：

但是这样查看的方式性能略差；假设我的方法就是在根类中方法列表里，那么每次都要通过子类到父类再到父类...再到根类这样找，所以才有了方法缓存的产生。当找到方法时，把方法放到缓存里。所以当调用一个方法时，先通过isa指针找到该类，先从该类的缓存方法列表中查找，如果缓存列表中没有找到，再通过子类到父类再到父类...再到根类这样方式查找。

4.2 cache_t的结构体了解

cache_t内部结构体如下图：

查看bucket_t的结构体如下：

从上两图可以查看，方法缓存是通过以@selector(函数名)为key，以函数的地址为value放到散列表的数组中。

4.3散列表的了解

1.什么是散列表？

散列表就是数组，有两个元素，第一个元素数是序列号（也就是索引），第二个元素就是存放的值。

2. 散列表为什么会非常的高效？
因为散列表通过存储的值&_mask的到一个索引，这个所以就是序列表，通过序列表直接取值，这样就不用一次一次的遍历数组了。因为例如算出来的索引是4，那么4之前的索引可能都是NULL，所以，散列表（哈希表）是以空间换时间 的方法.

3. bucket_t散列表的形式大概如下:

左边是索引, 右边是 bucket_t 结构体

如上图所示, bucket_t包括 _key 与 IMP, _key 就是SEL

4.iOS arm64 散列表存储原理:

• 初始时, 为对象的cach_t分配一个空间, 值为NULL
• 调用方法时, 为对象发送一个 SEL 消息, 如 @selector(personTest), 将这个方法缓存
• 系统用 SEL 与 _mask 作按位与计算: @selector(personTest) & _mask , 假设其值==2,
• 检查索引2 对应的空间是否为NULL , 如果为NULL 就将这个bucket_t 缓存在索引2对应空间
• 果不为空, 索引减1, 再检查是否为NULL, 依次类推. 如果索引<0, 则使索引 =_mask - 1, 直至找到索引对应空间为NULL, 再缓存

5. 对应的查找步骤:

 

• 调用方法时, 为对象发送一个 SEL 消息, 如 @selector(personTest)
• 系统用SEL 与 _mask 作按位与计算: @selector(personTest) & _mask , 假设其值==2,
• 得到索引2 的bucket_t , 判断其中的 SEL 是否与传过来的 SEL 相同, 如果相同, 这个_imp就是寻找的方法
• 如果不相同, 索引减1, 再比较SEL, 依次类推. 如果索引<0, 则使索引 = _mask - 1, 直至找到_imp
• 源码如下：

查看cache_hash的查找方法如下：

6. 为什么按位&_mask?

按位与 可保证得到的值 <= _mask, 这样就不会超出分配的空间.

注: 有的系统是求余 %, 如java, 这样也能保证 <= _mask

7. 为什么有 -1 的算法？

也是因为按位与, 因为不同的值 & _mask, 可能结果相同. 如果已经被占了, 就-1:

8. 如果空间超出原来的_mask, 那怎么办？

刚开始为cache_t分配一定的内存, 系统默认是分配了4, 当内存不够用时, 内存扩大2倍, 依次类推则 _mask *= 2.

每一次_mask 扩容, 散列表清空，为什么要清空呢？因为_mask的值不一样了，如果还保留之前的列表的话，那么与新的_mask &出来的的值就不一样了，所以就清空了。源码如下：

通过源码可以知道如果lodCapacity没有值的话，就取INIT_CACHE_SIZE：