Runtime原理及应用

一. Runtime简介

Runtime简称运行时。OC就是运行时机制，也就是在运行时候的一些机制，其中最主要的是消息机制。

对于C语言，函数的调用在编译的时候会决定调用哪个函数，如果调用未实现的函数就会报错。

对于OC语言，属于动态调用过程，在编译的时候并不能决定真正调用哪个函数，只有在真正运行的时候才会根据函数的名称找到对应的函数来调用。在编译阶段，OC可以调用任何函数，即使这个函数并未实现，只要声明过就不会报错。

二. Runtime消息机制

消息机制是运行时里面最重要的机制，OC中任何方法的调用，本质都是发送消息。

使用运行时，发送消息需要导入框架并且xcode5之后，苹果不建议使用底层方法，如果想要使用运行时，需要关闭严格检查objc_msgSend的调用，BuildSetting->搜索msg 改为NO。

下来看一下实例方法调用底层实现

Person *p = [[Person alloc] init];
[p eat];
// 底层会转化成
//SEL：方法编号，根据方法编号就可以找到对应方法的实现。
[p performSelector:@selector(eat)];
//performSelector本质即为运行时，发送消息，谁做事情就调用谁 
objc_msgSend(p, @selector(eat));
// 带参数
objc_msgSend(p, @selector(eat:),10);

类方法的调用底层

// 本质是会将类名转化成类对象，初始化方法其实是在创建类对象。
[Person eat];
// Person只是表示一个类名，并不是一个真实的对象。只要是方法必须要对象去调用。
// RunTime 调用类方法同样，类方法也是类对象去调用，所以需要获取类对象，然后使用类对象去调用方法。
Class personclass = [Persion class];
[[Persion class] performSelector:@selector(eat)];
// 类对象发送消息
objc_msgSend(personclass, @selector(eat));

@selector (SEL)：是一个SEL方法选择器。SEL其主要作用是快速的通过方法名字查找到对应方法的函数指针，然后调用其函数。SEL其本身是一个Int类型的地址，地址中存放着方法的名字。

对于一个类中。每一个方法对应着一个SEL。所以一个类中不能存在2个名称相同的方法，即使参数类型不同，因为SEL是根据方法名字生成的，相同的方法名称只能对应一个SEL。

运行时发送消息的底层实现

每一个类都有一个方法列表 Method List，保存这类里面所有的方法，根据SEL传入的方法编号找到方法，相当于value - key的映射。然后找到方法的实现。去方法的实现里面去实现。如图所示。

运行时发送消息的底层实现

那么内部是如何动态查找对应的方法的？

首先我们知道所有的类中都继承自NSObject类，在NSObjcet中存在一个Class的isa指针。

typedef struct objc_class *Class;
@interface NSObject  {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

我们来到objc_class中查看，其中包含着类的一些基本信息。

struct objc_class {
  Class isa; // 指向metaclass

  Class super_class ; // 指向其父类
  const char *name ; // 类名
  long version ; // 类的版本信息，初始化默认为0，可以通过runtime函数class_setVersion和class_getVersion进行修改、读取
  long info; // 一些标识信息,如CLS_CLASS (0x1L) 表示该类为普通 class ，其中包含对象方法和成员变量;CLS_META (0x2L) 表示该类为 metaclass，其中包含类方法;
  long instance_size ; // 该类的实例变量大小(包括从父类继承下来的实例变量);
  struct objc_ivar_list *ivars; // 用于存储每个成员变量的地址
  struct objc_method_list **methodLists ; // 与 info 的一些标志位有关,如CLS_CLASS (0x1L),则存储对象方法，如CLS_META (0x2L)，则存储类方法;
  struct objc_cache *cache; // 指向最近使用的方法的指针，用于提升效率；
  struct objc_protocol_list *protocols; // 存储该类遵守的协议
}

下面我们就以p实例的eat方法来看看具体消息发送之后是怎么来动态查找对应的方法的。

实例方法[p eat];底层调用[p performSelector:@selector(eat)];方法，编译器在将代码转化为objc_msgSend(p, @selector(eat));
在objc_msgSend函数中。首先通过p的isa指针找到p对应的class。在Class中先去cache中通过SEL查找对应函数method，如果找到则通过method中的函数指针跳转到对应的函数中去执行。
若cache中未找到。再去methodList中查找。若能找到，则将method加入到cache中，以方便下次查找，并通过method中的函数指针跳转到对应的函数中去执行。
若methodlist中未找到，则去superClass中查找。若能找到，则将method加入到cache中，以方便下次查找，并通过method中的函数指针跳转到对应的函数中去执行。

三. 使用RunTime交换方法：

当系统自带的方法功能不够，需要给系统自带的方法扩展一些功能，并且保持原有的功能时，可以使用RunTime交换方法实现。

这里要实现image添加图片的时候，自动判断image是否为空，如果为空则提醒图片不存在。

方法一：使用分类

+ (nullable UIImage *)xx_ccimageNamed:(NSString *)name
{
    // 加载图片    如果图片不存在则提醒或发出异常
   UIImage *image = [UIImage imageNamed:name];
    if (image == nil) {
        NSLog(@"图片不存在");
    }
    return image;
}

缺点：每次使用都需要导入头文件，并且如果项目比较大，之前使用的方法全部需要更改。

方法二：RunTime交换方法

交换方法的本质其实是交换两个方法的实现，即调换xx_ccimageNamed和imageName方法，达到调用xx_ccimageNamed其实就是调用imageNamed方法的目的

那么首先需要明白方法在哪里交换，因为交换只需要进行一次，所以在分类的load方法中，当加载分类的时候交换方法即可。

 +(void)load
{
    // 获取要交换的两个方法
    // 获取类方法  用Method 接受一下
    // class ：获取哪个类方法 
    // SEL ：获取方法编号，根据SEL就能去对应的类找方法。
    Method imageNameMethod = class_getClassMethod([UIImage class], @selector(imageNamed:));
    // 获取第二个类方法
    Method xx_ccimageNameMrthod = class_getClassMethod([UIImage class], @selector(xx_ccimageNamed:));
    // 交换两个方法的实现 方法一 ，方法二。
    method_exchangeImplementations(imageNameMethod, xx_ccimageNameMrthod);
    // IMP其实就是 implementation的缩写：表示方法实现。
}

交换方法内部实现：

根据SEL方法编号在Method中找到方法，两个方法都找到
交换方法的实现，指针交叉指向。如图所示：

交换方法内部实现

注意：交换方法时候 xx_ccimageNamed方法中就不能再调用imageNamed方法了，因为调用imageNamed方法实质上相当于调用 xx_ccimageNamed方法，会循环引用造成死循环。

RunTime也提供了获取对象方法和方法实现的方法。

// 获取方法的实现
class_getMethodImplementation(<#__unsafe_unretained Class cls#>, <#SEL name#>) 
// 获取对象方法
class_getInstanceMethod(<#__unsafe_unretained Class cls#>, <#SEL name#>)

此时，当调用imageNamed:方法的时候就会调用xx_ccimageNamed:方法，为image添加图片，并判断图片是否存在，如果不存在则提醒图片不存在。

四. 动态添加方法

如果一个类方法非常多，其中可能许多方法暂时用不到。而加载类方法到内存的时候需要给每个方法生成映射表，又比较耗费资源。此时可以使用RunTime动态添加方法
动态给某个类添加方法，相当于懒加载机制，类中许多方法暂时用不到，那么就先不加载，等用到的时候再去加载方法。

动态添加方法的方法：
首先我们先不实现对象方法，当调用performSelector: 方法的时候，再去动态加载方法。
这里同上创建Person类，使用performSelector: 调用Person类对象的eat方法。

Person *p = [[Person alloc]init];
// 当调用 P中没有实现的方法时，动态加载方法
[p performSelector:@selector(eat)];

此时编译的时候是不会报错的，程序运行时才会报错，因为Person类中并没有实现eat方法，当去类中的Method List中发现找不到eat方法，会报错找不到eat方法。

报错信息:未被选择器发送到实例

而当找不到对应的方法时就会来到拦截调用，在找不到调用的方法程序崩溃之前调用的方法。
当调用了没有实现的对象方法的时，就会调用+(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel方法。
当调用了没有实现的类方法的时候，就会调用+(BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel方法。
首先我们来到API中看一下苹果的说明，搜索 Dynamic Method Resolution 来到动态方法解析。

Dynamic Method Resolution

Dynamic Method Resolution的API中已经讲解的很清晰，我们可以实现方法resolveInstanceMethod:或者resolveClassMethod:方法，动态的给实例方法或者类方法添加方法和方法实现。
所以通过这两个方法就可以知道哪些方法没有实现，从而动态添加方法。参数sel即表示没有实现的方法。
一个objective - C方法最终都是一个C函数，默认任何一个方法都有两个参数。
self : 方法调用者 _cmd : 调用方法编号。我们可以使用函数class_addMethod为类添加一个方法以及实现。

这里仿照API给的例子，动态的为P实例添加eat对象

+(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
    // 动态添加eat方法
    // 首先判断sel是不是eat方法 也可以转化成字符串进行比较。    
    if (sel == @selector(eat)) {
    /** 
     第一个参数： cls:给哪个类添加方法
     第二个参数： SEL name:添加方法的编号
     第三个参数： IMP imp: 方法的实现，函数入口，函数名可与方法名不同（建议与方法名相同）
     第四个参数： types :方法类型，需要用特定符号，参考API
     */
      class_addMethod(self, sel, (IMP)eat , "v@:");
        // 处理完返回YES
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

重点来看一下class_addMethod方法

class_addMethod(__unsafe_unretained Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)

class_addMethod中的四个参数。第一，二个参数比较好理解，重点是第三，四个参数。

cls : 表示给哪个类添加方法，这里要给Person类添加方法，self即代表Person。
SEL name : 表示添加方法的编号。因为这里只有一个方法需要动态添加，并且之前通过判断确定sel就是eat方法，所以这里可以使用sel。
IMP imp : 表示方法的实现，函数入口，函数名可与方法名不同（建议与方法名相同）需要自己来实现这个函数。每一个方法都默认带有两个隐式参数

self : 方法调用者 _cmd : 调用方法的标号，可以写也可以不写。

void eat(id self ,SEL _cmd)
{
      // 实现内容
      NSLog(@"%@的%@方法动态实现了",self,NSStringFromSelector(_cmd));
}

types : 表示方法类型，需要用特定符号。系统提供的例子中使用的是"v@:"，我们来到API中看看"v@:"指定的方法是什么类型的。

Objective-C type encodings

从图中可以看出

v -> void 表示无返回值

@ -> object 表示id参数

: -> method selector 表示SEL

至此已经完成了P实例eat方法的动态添加。当P调用eat方法时输出

p调用eat方法时输出

动态添加有参数的方法

如果是有参数的方法，需要对方法的实现和class_addMethod方法内方法类型参数做一些修改。
方法实现：因为在C语言函数中，所以对象参数类型只能用id代替。
方法类型参数：因为添加了一个id参数，所以方法类型应该为"v@:@"
来看一下代码

+(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
    if (sel == @selector(eat:)) {
        class_addMethod(self, sel, (IMP)aaaa , "v@:@");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
void aaaa(id self ,SEL _cmd,id Num)
{
    // 实现内容
    NSLog(@"%@的%@方法动态实现了,参数为%@",self,NSStringFromSelector(_cmd),Num);
}

调用eat:函数

Person *p = [[Person alloc]init];
[p performSelector:@selector(eat:)withObject:@"xx_cc"];

输出为

p调用eat:方法时输出

五. RunTime动态添加属性

使用RunTime给系统的类添加属性，首先需要了解对象与属性的关系。

对象与属性的关系

对象一开始初始化的时候其属性name为nil，给属性赋值其实就是让name属性指向一块存储字符串的内存，使这个对象的属性跟这块内存产生一种关联，个人理解对象的属性就是一个指针，指向一块内存区域。

那么如果想动态的添加属性，其实就是动态的产生某种关联就好了。而想要给系统的类添加属性，只能通过分类。

这里给NSObject添加name属性，创建NSObject的分类
我们可以使用@property给分类添加属性

@property(nonatomic,strong)NSString *name;

**虽然在分类中可以写@property

添加属性，但是不会自动生成私有属性，也不会生成set,get方法的实现，只会生成set,get的声明，需要我们自己去实现。**

方法一：我们可以通过使用静态全局变量给分类添加属性

static NSString *_name;
-(void)setName:(NSString *)name
{
    _name = name;
}
-(NSString *)name
{
    return _name;
}

但是这样_name静态全局变量与类并没有关联，无论对象创建与销毁，只要程序在运行_name变量就存在，并不是真正意义上的属性。

方法二：使用RunTime动态添加属性

RunTime提供了动态添加属性和获得属性的方法。

-(void)setName:(NSString *)name
{
    objc_setAssociatedObject(self, @"name",name, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}
-(NSString *)name
{
    return objc_getAssociatedObject(self, @"name");    
}

动态添加属性

objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy);

参数一：id object : 给哪个对象添加属性，这里要给自己添加属性，用self。
参数二：void * == id key : 属性名，根据key获取关联对象的属性的值，在objc_getAssociatedObject中通过次key获得属性的值并返回。
参数三：id value : 关联的值，也就是set方法传入的值给属性去保存。
参数四：objc_AssociationPolicy policy : 策略，属性以什么形式保存。
有以下几种

typedef OBJC_ENUM(uintptr_t, objc_AssociationPolicy) {
    OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN = 0,  // 指定一个弱引用相关联的对象
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC = 1, // 指定相关对象的强引用，非原子性
    OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC = 3,  // 指定相关的对象被复制，非原子性
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN = 01401,  // 指定相关对象的强引用，原子性
    OBJC_ASSOCIATION_COPY = 01403     // 指定相关的对象被复制，原子性   
};

获得属性

objc_getAssociatedObject(id object, const void *key);

参数一：id object : 获取哪个对象里面的关联的属性。
参数二：void * == id key : 什么属性，与objc_setAssociatedObject中的key相对应，即通过key值取出value。
此时已经成功给NSObject添加name属性，并且NSObject对象可以通过点语法为属性赋值。

NSObject *objc = [[NSObject alloc]init];
objc.name = @"xx_cc";
NSLog(@"%@",objc.name);

六. RunTime字典转模型

为了方便以后重用，这里通过给NSObject添加分类，声明并实现使用RunTime字典转模型的类方法。

+ (instancetype)modelWithDict:(NSDictionary *)dict

首先来看一下KVC字典转模型和RunTime字典转模型的区别

**KVC：KVC字典转模型实现原理是遍历字典中所有Key，然后去模型中查找相对应的属性名，要求属性名与Key必须一一对应，字典中所有key必须在模型中存在。

RunTime：RunTime字典转模型实现原理是遍历模型中的所有属性名，然后去字典查找相对应的Key，也就是以模型为准，模型中有哪些属性，就去字典中找那些属性。**

RunTime字典转模型的优点：当服务器返回的数据过多，而我们只使用其中很少一部分时，没有用的属性就没有必要定义成属性浪费不必要的资源。只保存最有用的属性即可。

RunTime字典转模型过程

首先需要了解，属性定义在类里面，那么类里面就有一个属性列表，属性列表以数组的形式存在，根据属性列表就可以获得类里面的所有属性名，所以遍历属性列表，也就可以遍历模型中的所有属性名。

所以RunTime字典转模型过程就很清晰了。

创建模型对象

id objc = [[self alloc] init];

使用class_copyIvarList方法拷贝成员属性列表

unsigned int count = 0;
Ivar *ivarList = class_copyIvarList(self, &count);

参数一：__unsafe_unretained Class cls : 获取哪个类的成员属性列表。这里是self，因为谁调用分类中类方法，谁就是self。
参数二：unsigned int *outCount : 无符号int型指针，这里创建unsigned int型count，&count就是他的地址，保证在方法中可以拿到count的地址为count赋值。传出来的值为成员属性总数。
返回值：Ivar * : 返回的是一个Ivar类型的指针。指针默认指向的是数组的第0个元素，指针+1会向高地址移动一个Ivar单位的字节，也就是指向第一个元素。Ivar表示成员属性。

遍历成员属性列表，获得属性列表

for (int i = 0 ; i < count; i++) {
        // 获取成员属性
        Ivar ivar = ivarList[i];
}

使用ivar_getName(ivar)获得成员属性名，因为成员属性名返回的是C语言字符串，将其转化成OC字符串

NSString *propertyName = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];

通过ivar_getTypeEncoding(ivar)也可以获得成员属性类型。

因为获得的是成员属性名，是带_的成员属性，所以需要将下划线去掉，获得属性名，也就是字典的key。

// 获取key
NSString *key = [propertyName substringFromIndex:1];

获取字典中key对应的Value。

// 获取字典的value
id value = dict[key];

给模型属性赋值，并将模型返回

if (value) {
 // KVC赋值:不能传空
[objc setValue:value forKey:key];
}
return objc;

至此已成功将字典转为模型。

七. RunTime字典转模型的二级转换

在开发过程中经常用到模型嵌套，也就是模型中还有一个模型，这里尝试用RunTime进行模型的二级转换，实现思路其实比较简单清晰。

首先获得一级模型中的成员属性的类型

// 成员属性类型
NSString *propertyType = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getTypeEncoding(ivar)];

判断当一级字典中的value是字典，并且一级模型中的成员属性类型不是NSDictionary的时候才需要进行二级转化。

首先value是字典才进行转化是必须的，因为我们通常将字典转化为模型，其次，成员属性类型不是系统类，说明成员属性是我们自定义的类，也就是要转化的二级模型。而当成员属性类型就是NSDictionary的话就表明，我们本就想让成员属性是一个字典，不需要进行模型的转换。

id value = dict[key];
if ([value isKindOfClass:[NSDictionary class]] && ![propertyType containsString:@"NS"]) 
{ 
      // 进行二级转换。
}

获取要转换的模型类型，这里需要对propertyType成员属性类型做一些处理，因为propertyType返回给我们成员属性类型的是@\"Mode\"，我们需要对他进行截取为Mode。这里需要注意的是\只是转义符，不占位。

// @\"Mode\"去掉前面的@\"
NSRange range = [propertyType rangeOfString:@"\""];
propertyType = [propertyType substringFromIndex:range.location + range.length];
// Mode\"去掉后面的\"
range = [propertyType rangeOfString:@"\""];
propertyType = [propertyType substringToIndex:range.location];

获取需要转换类的类对象，将字符串转化为类名。

Class modelClass =  NSClassFromString(propertyType);

判断如果类名不为空则调用分类的modelWithDict方法，传value字典，进行二级模型转换，返回二级模型在赋值给value。

if (modelClass) {
      value =  [modelClass modelWithDict:value];
}

这里可能有些绕，重新理一下，我们通过判断value是字典并且需要进行二级转换，然后将value字典转化为模型返回，并重新赋值给value，最后给一级模型中相对应的key赋值模型value即可完成二级字典对模型的转换。

最后附上二级转换的完整方法

+ (instancetype)modelWithDict:(NSDictionary *)dict{
    // 1.创建对应类的对象
    id objc = [[self alloc] init];
    // count:成员属性总数
    unsigned int count = 0;
   // 获得成员属性列表和成员属性数量
    Ivar *ivarList = class_copyIvarList(self, &count);
    for (int i = 0 ; i < count; i++) {
        // 获取成员属性
        Ivar ivar = ivarList[i];
        // 获取成员名
       NSString *propertyName = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
        // 获取key
        NSString *key = [propertyName substringFromIndex:1];
        // 获取字典的value key:属性名 value:字典的值
        id value = dict[key];
        // 获取成员属性类型
        NSString *propertyType = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getTypeEncoding(ivar)];
        // 二级转换
        // value值是字典并且成员属性的类型不是字典,才需要转换成模型
        if ([value isKindOfClass:[NSDictionary class]] && ![propertyType containsString:@"NS"]) {
            // 进行二级转换
            // 获取二级模型类型进行字符串截取，转换为类名
            NSRange range = [propertyType rangeOfString:@"\""];
            propertyType = [propertyType substringFromIndex:range.location + range.length];
            range = [propertyType rangeOfString:@"\""];
            propertyType = [propertyType substringToIndex:range.location];
            // 获取需要转换类的类对象
           Class modelClass =  NSClassFromString(propertyType);
           // 如果类名不为空则进行二级转换
            if (modelClass) {
                // 返回二级模型赋值给value
                value =  [modelClass modelWithDict:value];
            }
        }
        if (value) {
            // KVC赋值:不能传空
            [objc setValue:value forKey:key];
        }
    }
    // 返回模型
    return objc;
}

以上只是对RunTime浅显的理解，可以看出RunTime非常强大。也许我们只是简单调用了一个方法，系统底层却帮我们做了很多很多事情。