Objective-C Runtime 之消息传递

致敬Smalltalk

时至今日,Smalltalk已是昨日黄花,若不是Objective-C ,可能这里你我都不一定有机会提及这门语言.但如果我们能够重回1980年, 回望整个计算机编程语言领域, 特别是工业界编程, 打死也不会想到日后 Java 这种无名小卒, 以及 C++ 这个又面向对象又支持过程的双面间谍能够红得发紫. 当年最流行的语言, 当属 FORTRAN, C 和 Smalltalk。

Smalltalk 是世界上第二个面向对象的语言。(那第一个面向对象的语言是什么呢?据说是Simula 67,来自百度).更多关于Smalltalk可以阅读这篇文章编程珠玑番外篇-8.Smalltalk 中的珠玑,其中消息传递是Smalltalk的留给后世晶亮的珠玑。

关于Objective-C

Objective-C从名字就可以看出来和C语言有着千丝万缕的联系, 它扩展了C语言,加入了面向对象的特性和Smalltalk式的消息传递机制。

Objective-C是一门动态语言，它将很多静态语言在编译和链接时期做的事放到了运行时来处理。C语言中 ,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，[object foo] 语法并不会立即执行 foo 这个方法的代码。它是在运行时给 object 发送一条叫 foo 的消息。这个消息，也许会由 object 来处理，也许会被转发给另一个对象，或者不予理睬假装没收到这个消息。多条不同的消息也可以对应同一个方法实现。这些都是在程序运行的时候决定的。

这种特性意味着Objective-C不仅需要一个编译器，还需要一个运行时系统来执行编译的代码。对于Objective-C来说，这个运行时系统就像一个操作系统一样：它让所有的工作可以正常的运行。这个运行时系统即Objc Runtime。Objc Runtime其实是一个Runtime库，它基本上是用C和汇编写的，这个库使得C语言有了面向对象的能力。

Runtime库主要做下面几件事：

1. 封装：在这个库中，对象可以用C语言中的结构体表示，而方法可以用C函数来实现，另外再加上了一些额外的特性。这些结构体和函数被runtime函数封装后，我们就可以在程序运行时创建，检查，修改类、对象和它们的方法了。

2. 找出方法的最终执行代码：当程序执行[object doSomething]时，会向消息接收者(object)发送一条消息(doSomething)，runtime会根据消息接收者是否能响应该消息而做出不同的反应。

可以说最初的 Objective-C = C + Preprocessor + Runtime。Runtime 是Objective-C面向对象和动态特性的基石.

消息发送

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：

struct objc_object {  
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

struct objc_class {  
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    Class super_class;
    const char *name;
    long version;
    long info;
    long instance_size;
    struct objc_ivar_list *ivars;
    **struct objc_method_list **methodLists**;
    **struct objc_cache *cache**;
    struct objc_protocol_list *protocols;
#endif
};

struct objc_method_list {  
    struct objc_method_list *obsolete;
    int method_count;

#ifdef __LP64__
    int space;
#endif

    /* variable length structure */
    struct objc_method method_list[1];
};

struct objc_method {  
    SEL method_name;
    char *method_types;    /* a string representing argument/return types */
    IMP method_imp;
};

objc_method_list 本质是一个有 objc_method 元素的可变长度的数组。一个 objc_method 结构体中有函数名，也就是SEL，有表示函数类型的字符串 (见 Type Encoding) ，以及函数的实现IMP。
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。
当消息发送给一个对象时，objc_msgSend通过对象的isa指针获取到类的结构体，然后在方法分发表里面查找方法的selector。如果没有找到selector，则通过objc_msgSend结构体中的指向父类的指针找到其父类，并在父类的分发表里面查找方法的selector。依此，会一直沿着类的继承体系到达NSObject类。一旦定位到selector，函数会就获取到了实现的入口点，并传入相应的参数来执行方法的具体实现。如果最后没有定位到selector，则会走消息转发流程。
消息传递示意图

举 objc_msgSend(obj, foo) 这个例子来说：
1.首先，通过 obj 的 isa 指针找到它的 class ;
2.在 class 的 method list 找 foo ;
3.如果 class 中没到 foo，继续往它的 superclass 中找 ;
4.一旦找到 foo 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 foo 之后，把 foo 的 method_name 作为 key ，method_imp 作为 value 给存起来。当再次收到 foo 消息的时候，可以直接在 cache 里找到，避免去遍历 objc_method_list.

消息转发

当一个对象能接收一个消息时，就会走正常的方法调用流程。但如果一个对象无法接收指定消息时，又会发生什么事呢？默认情况下，如果是以[object message]的方式调用方法，如果object无法响应message消息时，编译器会报错。但如果是以perform...的形式来调用，则需要等到运行时才能确定object是否能接收message消息。如果不能，则程序崩溃。

通常，当我们不能确定一个对象是否能接收某个消息时，会先调用respondsToSelector:来判断一下。如下代码所示：

if ([self respondsToSelector:@selector(method)]) {
    [self performSelector:@selector(method)];
}

不过，我们这边想讨论下不使用respondsToSelector:判断的情况。这才是我们这一节的重点。

当一个对象无法接收某一消息时，就会启动所谓”消息转发(message forwarding)“机制，通过这一机制，我们可以告诉对象如何处理未知的消息。默认情况下，对象接收到未知的消息，会导致程序崩溃，通过控制台，我们可以看到以下异常信息：

-[SUTRuntimeMethod method]: unrecognized selector sent to instance 0x100111940

*** Terminating app due to uncaught exception 'NSInvalidArgumentException', reason: '-[SUTRuntimeMethod method]: unrecognized selector sent to instance*** 

这段异常信息实际上是由NSObject的”doesNotRecognizeSelector“方法抛出的。不过，我们可以采取一些措施，让我们的程序执行特定的逻辑，而避免程序的崩溃。

消息转发机制基本上分为三个步骤：

1. 动态方法解析
2. 备用接收者
3. 完整转发

下面我们详细讨论一下这三个步骤。

1.动态方法解析

对象在接收到未知的消息时，首先会调用所属类的类方法+resolveInstanceMethod:(实例方法)或者+resolveClassMethod:(类方法)。在这个方法中，我们有机会为该未知消息新增一个”处理方法””。不过使用该方法的前提是我们已经实现了该”处理方法”，只需要在运行时通过class_addMethod函数动态添加到类里面就可以了。如下代码所示：

void functionForMethod1(id self, SEL _cmd) {
   NSLog(@"%@, %p", self, _cmd);
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    NSString *selectorString = NSStringFromSelector(sel);
    if ([selectorString isEqualToString:@"method1"]) {
        class_addMethod(self.class, @selector(method1), (IMP)functionForMethod1, "@:");
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

不过这种方案更多的是为了实现@dynamic属性。

2.备用接收者

如果在上一步无法处理消息，则Runtime会继续调以下方法：

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector

如果一个对象实现了这个方法，并返回一个非nil的结果，则这个对象会作为消息的新接收者，且消息会被分发到这个对象。当然这个对象不能是self自身，否则就是出现无限循环。当然，如果我们没有指定相应的对象来处理aSelector，则应该调用父类的实现来返回结果。

使用这个方法通常是在对象内部，可能还有一系列其它对象能处理该消息，我们便可借这些对象来处理消息并返回，这样在对象外部看来，还是由该对象亲自处理了这一消息。如下代码所示：

@interface SUTRuntimeMethodHelper : NSObject
- (void)method2;
@end

@implementation SUTRuntimeMethodHelper

- (void)method2 {
    NSLog(@"%@, %p", self, _cmd);
}
@end

#pragma mark -
@interface SUTRuntimeMethod () {
    SUTRuntimeMethodHelper *_helper;
}
@end

@implementation SUTRuntimeMethod

+ (instancetype)object {
    return [[self alloc] init];
}

- (instancetype)init {
    self = [super init];
    if (self != nil) {
        _helper = [[SUTRuntimeMethodHelper alloc] init];
    }
    return self;
}

- (void)test {
    [self performSelector:@selector(method2)];
}

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    NSLog(@"forwardingTargetForSelector");
    NSString *selectorString = NSStringFromSelector(aSelector);
    // 将消息转发给_helper来处理
    if ([selectorString isEqualToString:@"method2"]) {
        return _helper;
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
@end

这一步合适于我们只想将消息转发到另一个能处理该消息的对象上。但这一步无法对消息进行处理，如操作消息的参数和返回值。

3.完整消息转发

如果在上一步还不能处理未知消息，则唯一能做的就是启用完整的消息转发机制了。此时会调用以下方法：

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation

运行时系统会在这一步给消息接收者最后一次机会将消息转发给其它对象。对象会创建一个表示消息的NSInvocation对象，把与尚未处理的消息有关的全部细节都封装在anInvocation中，包括selector，目标(target)和参数。我们可以在forwardInvocation方法中选择将消息转发给其它对象。

forwardInvocation:方法的实现有两个任务：

1. 定位可以响应封装在anInvocation中的消息的对象。这个对象不需要能处理所有未知消息。
2. 使用anInvocation作为参数，将消息发送到选中的对象。anInvocation将会保留调用结果，运行时系统会提取这一结果并将其发送到消息的原始发送者。

不过，在这个方法中我们可以实现一些更复杂的功能，我们可以对消息的内容进行修改，比如追回一个参数等，然后再去触发消息。另外，若发现某个消息不应由本类处理，则应调用父类的同名方法，以便继承体系中的每个类都有机会处理此调用请求。

还有一个很重要的问题，我们必须重写以下方法：

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector

消息转发机制使用从这个方法中获取的信息来创建NSInvocation对象。因此我们必须重写这个方法，为给定的selector提供一个合适的方法签名。

完整的示例如下所示：

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    NSMethodSignature *signature = [super methodSignatureForSelector:aSelector];

    if (!signature) {
        if ([SUTRuntimeMethodHelper instancesRespondToSelector:aSelector]) {
            signature = [SUTRuntimeMethodHelper instanceMethodSignatureForSelector:aSelector];
        }
    }
    return signature;
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    if ([SUTRuntimeMethodHelper instancesRespondToSelector:anInvocation.selector]) {
        [anInvocation invokeWithTarget:_helper];
    }
}

NSObject的forwardInvocation:方法实现只是简单调用了doesNotRecognizeSelector:方法，它不会转发任何消息。这样，如果不在以上所述的三个步骤中处理未知消息，则会引发一个异常。

从某种意义上来讲，forwardInvocation:就像一个未知消息的分发中心，将这些未知的消息转发给其它对象。或者也可以像一个运输站一样将所有未知消息都发送给同一个接收对象。这取决于具体的实现。

一图胜千言,消息转发流程如下:

消息转发示意图

相关参考

Objective-C Runtime
Objective-C Runtime 运行时之一：类与对象
重识 Objective-C Runtime - Smalltalk 与 C 的融合