iOS runtime详解3

IOS - runtime

[0] Outline

  --  [1] 版本和平台

  --  [2] 与Runtime System交互

  --  [3] 方法的动态决议

  --  [4] 消息转发

  --  [5] 类型编码

  --  [6] 属性声明

 

[1] 版本和平台

Runtime System对于Objective-C来说就好比是它的操作系统，或者说是运行的支撑平台，它使得Objective-C代码能够按照既定的语言特性跑起来。相对于C/C++来说，Objective-C尽可能地把一些动作推迟到运行时来执行，即尽可能动态地做事情。因此，它不仅需要一个编译器，还需要一个运行时环境来执行编译后的代码。

Runtime System分为Legacy和Modern两个版本，一般来说，我们现在用的都是Modern版本。Modern版本的Runtime System有一个显著的特征就是“non-fragile”，即父类的成员变量的布局发生改变时，子类不需要重新编译。此外，还支持为声明的属性进行合成操作（即@property和@synthesis）。

下面会讨论NSObject类、Objective-C程序如何与Runtime System交互、运行时动态地加载类、发消息给其它对象，以及运行时如何获取对象信息。

 

[2] 与Runtime System交互

Objective-C程序和Runtime System在三个不同层次进行交互：通过Objective-C源码；通过NSObject定义的函数；以及通过直接调用runtime functions。

 

通常来讲，Runtime System都是在幕后工作，我们需要做的就是编写Objective-C代码，然后编译。编译器会为我们创建相应的数据结构和函数调用来实现语言的动态 特性。这些数据结构保存着在类、Category定义和Protocol声明中所能找到的信息，包括成员变量模板、selectors，以及其它从源码中 提取到的信息。

Runtime System是一个动态共享库，位于/usr/include/objc，拥有一套公共的接口，由一系列函数和数据结构组成。开发人员可以使用纯C调用一些函数来做编译器做的事情，或者扩展Runtime System，为开发环境制作一些工具等等。尽管一般情况下，编写Objective-C并不需要了解这些内容，但有时候会很有用。所有的函数都在Objective-C Runtime Reference有文档化信息。

 

Cocoa中大部分对象都是NSObject的子类（NSProxy是一个例外），继承了NSObject的方法。因此在这个继承体系中，子类可以根据需求重新实现NSObject定义的一些函数，实现多态和动态性，比如description方法（返回描述自身的字符串，类似Python中开头的三引号）。

一些NSObject定义的方法只是简单地询问Runtime System获得信息，使得对象可以进行自省（introspection），比如用来确定类类型的isKindOfClass:，确定对象在继承体系中的位置的isMemberOfClass:，判断一个对象是否能接收某个特定消息的respondsToSelector:，判断一个对象是否遵循某个协议的conformsToProtocol:，以及提供方法实现地址的methodForSelector:。这些方法让一个对象可以进行自省（introspect about itself）。

 

最主要的Runtime函数是用来发送消息的，它由源码中的消息表达式激发。发送消息是Objective-C程序中最经常出现的表达式，而该表达式最终会被转换成objc_msgSend函数调用。比如一个消息表达式[receiver message]会被转换成objc_msgSend(receiver, selector)，如果有参数则为objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, …)。

消息只有到运行时才会和函数实现绑定起来：首先objc_msgSend在receiver中查找selector对应的函数实现；然后调用函数过程，将receiving object（即this指针）和参数传递过去；最后，返回函数的返回值。

发送消息的关键是编译器为类和对象创建的结构，包含两个主要元素，一个是指向superclass的指针，另一个是类的dispatch table，该dispatch table中的表项将selector和对应的函数入口地址关联起来。

当一个对象被创建时，内存布局中的第一个元素是指向类结构的指针，isa。通过isa指针，一个对象可以访问它的类结构，进而访问继承的类结构。示例图可参见此处。

当向一个对象发送消息时，objc_msgSend先通过isa指针在类的dispatch table中查找对应selector的函数入口地址，如果没有找到，则沿着class hierarchy（类的继承体系）寻找，直到NSObject类。这就是在运行时选择函数实现，用OOP的行话来说，就是动态绑定。

为了加速发送消息的速度，Runtime System为每个类创建了一个cache，用来缓存selector和对应函数入口地址的映射。

 

当objc_msgSend找到对应的函数实现时，它除了传递函数参数，还传递了两个隐藏参数：receiving object和selector。之所以称之为隐藏参数，是因为这两个参数在源代码中没有显示声明，但还是可以通过self和_cmd来访问。

当一个消息要被发送给某个对象很多次的时候，可以直接使用methodForSelector:来进行优化，比如下述代码：

 

 

1. //////////////////////////////////////////////////////////////   
2. void (*setter)(id, SEL, BOOL);  
3. int i;  
4.   
5. setter = (void (*)(id, SEL, BOOL))[target  
6.      methodForSelector:@selector(setFilled:)];  
7. for ( i = 0; i < 1000, i++ )   
8.      setter(targetList[i], @selector(setFilled:), YES);  
9. //////////////////////////////////////////////////////////////  

 

其中，methodForSelector:是由Cocoa Runtime System提供的，而不是Objective-C本身的语言特性。这里需要注意转换过程中函数类型的正确性，包括返回值和参数，而且这里的前两个参数需要显示声明为id和SEL。

 

[3] 方法的动态决议

有时候我们想要为一个方法动态地提供实现，比如Objective-C的@dynamic指示符，它告诉编译器与属性对应的方法是动态提供的。我们可以利用resolveInstanceMethod:和resolveClassMethod:分别为对象方法和类方法提供动态实现。

一个Objective-C方法本质上是一个拥有至少两个参数（self和_cmd）的C函数，我们可以利用class_addMethod向一个类添加一个方法。比如对于下面的函数：

 

 

1. //////////////////////////////////////////////////////////////   
2. void dynamicMethodIMP(id self, SEL _cmd) {  
3.      // implementation ….   
4. }  
5. //////////////////////////////////////////////////////////////  

 

我们可以利用resolveInstanceMethod:将它添加成一个方法（比如叫resolveThisMethodDynamically）：

 

1. //////////////////////////////////////////////////////////////   
2. @implementation MyClass  
3. + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)aSEL  
4. {  
5.      if (aSEL == @selector(resolveThisMethodDynamically)) {  
6.           class_addMethod([self class], aSEL, (IMP) dynamicMethodIMP, "v@:");  
7.           return YES;  
8.      }  
9.      return [super resolveInstanceMethod:aSEL];  
10. }  
11. @end  
12. //////////////////////////////////////////////////////////////  

动态决议和发送消息并不冲突，在消息机制起作用之前，一个类是有机会动态决议一个方法的。当respondsToSelector:或者instancesRespondToSelector:被激活时，dynamic method resolver会优先有个机会为这个selector提供一份实现。如果实现了resolveInstanceMethod:，对于不想动态决议而想让其遵循消息转发机制的selectors，返回NO即可。

Objective-C程序可以在运行时链接新的类和category。动态加载可以用来做很多不同的事情，比如System Preferences里头各种模块就是动态加载的。尽管有运行时函数可以动态加载Objective-C模块（objc/objc-load.h中的objc_loadModules），但Cocoa的NSBundle类提供了更方便的动态加载接口。

 

[4] 消息转发

向一个对象发送它不处理的消息是一个错误，不过在报错之前，Runtime System给了接收对象第二次的机会来处理消息。在这种情况下，Runtime System会向对象发一个消息，forwardInvocation:，这个消息只携带一个NSInvocation对象作为参数——这个NSInvocation对象包装了原始消息和相应参数。

通过实现forwardInvocation:方法（继承于NSObject），可以给不响应的消息一个默认处理方式。正如方法名一样，通常的处理方式就是转发该消息给另一个对象:

 

1. //////////////////////////////////////////////////////////////   
2. - (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation  
3. {  
4.      if ([someOtherObject respondsToSelector:[anInvocation selector]])  
5.           [anInvocation invokeWithTarget:someOtherObject];  
6.      else  
7.           [super forwardInvocation:anInvocation];  
8. }  
9. //////////////////////////////////////////////////////////////  

对于不识别的消息（在dispatch table中找不到），forwardInvocation:就像一个中转站，想继续投递或者停止不处理，都由开发人员决定。

 

[5] 类型编码

为了支持Runtime System，编译器将返回值类型、参数类型进行编码，相应的编译器指示符是@encode。

比如，void编码为v，char编码为c，对象编码为@，类编码为#，选择符编码为:，而符合类型则由基本类型组成，比如

 

1. typedef struct example {  
2.      id     anObject;  
3.      char *aString;  
4.      int anInt;  
5. } Example;  

编码为{example=@*i}。

 

[6] 属性声明

当编译器遇到属性声明时，它会生成一些可描述的元数据 （metadata），将其与相应的类、category和协议关联起来。存在一些函数可以通过名称在类或者协议中查找这些metadata，通过这些函 数，我们可以获得编码后的属性类型（字符串），复制属性的attribute列表（C字符串数组）。因此，每个类和协议的属性列表我们都可以获得。

 

与类型编码类似，属性类型也有相应的编码方案，比如readonly编码为R，copy编码为C，retain编码为&等。

通过property_getAttributes函数可以后去编码后的字符串，该字符串以T开头，紧接@encode type和逗号，接着以V和变量名结尾。比如：

 

 

1. @property char charDefault;  

描述为：Tc,VcharDefault

 

 

1. @property(retain)ididRetain;  

描述为：T@,&,VidRetain

 

Property结构体定义了一个指向属性描述符的不透明句柄：typedef struct objc_property *Property;。

通过class_copyPropertyList和protocol_copyPropertyList函数可以获取相应的属性数组：

 

1. objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount)  
2. objc_property_t *protocol_copyPropertyList(Protocol *proto, unsigned int *outCount)  

 

通过property_getName函数可以获取属性名称。

通过class_getProperty和protocol_getProperty可以相应地根据给定名称获取到属性引用：

 

1. objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name)  
2. objc_property_t protocol_getProperty(Protocol *proto, const char *name, BOOL isRequiredProperty, BOOL isInstanceProperty)  

通过property_getAttributes函数可以获取属性的@encode type string：

const char *property_getAttributes(objc_property_t property)

 

以上函数组合成一段示例代码：

 

1. 1. @interface Lender : NSObject {  
   2.      float alone;  
   3. }  
   4. @property float alone;  
   5. @end  
   6.   
   7. id LenderClass = objc_getClass("Lender");  
   8. unsigned int outCount, i;  
   9. objc_property_t *properties = class_copyPropertyList(LenderClass, &outCount);  
   10. for (i = 0; i < outCount; i++) {  
   11.      objc_property_t property = properties[i];  
   12.      fprintf(stdout, "%s %s\n", property_getName(property), property_getAttributes(property));  
   13. }