Runtime

Runtime是什么

将一些在编译、链接过程中的工作，放到运行阶段，因此Objective-C为动态语言

Runtime是一个库，这个库使我们可以在程序运行时创建对象、检查对象、修改类和对象的方法。

Runtime是怎么工作的

Class和Object

在objc.h中，Class被定义为指向objc_class的指针，定义如下：

typedef struct objc_class *Class;

而objc_class是一个结构体，在runtime.h中的定义如下：

struct objc_class {
    // isa指针指向的类结构称为metaclass，其中存放着static类型的成员变量与static类型的方法（“+”开头的方法）
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    // 指向该类的父类的指针，如果该类是根类（如NSObject或NSProxy），那么super_class就为nil。
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE; // 父类
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE; // 类名
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE; // 类的版本信息，可以通过runtime函数class_setVersion或者class_getVersion进行修改、读取
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE; // 类信息，供运行时期使用的一些位标识、如CLS_CLASS(0x1L)表示该类为普通 class，其中包含实例方法和变量；CLS_META（0x2L)表示该类为metaclass，其中包含类方法；
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE; // 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                             OBJC2_UNAVAILABLE; // 该类的成员变量地址列表
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法的地址列表，与info的一些标识位有关，如CLS_CLASS(0x1L)则存储实例方法，如CLS_META(0x2L)，则存储类方法；
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE; // 缓存最近使用的方法列表，用于提升效率
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE; // 存储该类声明遵守的协议
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

一个类包含了自身所有的成员变量（ivars）、所有的方法（methodLists）、实现的协议（protocols）

isa的定义如下:

struct objc_object {
    // 是一个指向objc_class结构体的指针
    // objc_object（实例对象）中isa指针指向的类结构称为class（也就是该对象所属的类）其中存放着普通成员变量与动态方法（“-”开头的方法）
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

一个对象唯一保存的信息就是它的Class的地址

调用对象方法的实现过程

1. 通过isa去找到对应的objc_class;
2. 在objc_class的methodLists中找到我们调用的方法，然后执行。

Meta Class 元类

Objective-C中，类也被设计为一个对象。

调用对象类方法的实现过程（不考虑继承）

1. 通过对象的isa指针找到对应的类；
2. 通过类的isa指针找到对应元类；
3. 在元类的methodList中，找到对应的方法，然后执行。

所有的metaclass中isa指针都是指向根metaclass，而根metaclass则指向自身。根metaclass是通过继承根类产生的，与根class结构体成员一致，不同的是根metaclass的isa指针指向自身。

Method

定义如下:

struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法名
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法类型
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法实现
}

SEL是一个指向objc_selector的指针，而非objc_selector在头文件中找不到明确的定义。不过是一个保存方法名的字符串。

IMP函数指针：找到函数地址，然后执行函数。

typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...)

id对于实例方法来说，self保存了当前对象的地址；对于类方法来说，self保存了当前对应类对象的地址；后面的省略号即是参数列表。

Method建立了SEL和IMP的关联，当对一个对象发送消息时，会通过给出的SEL去找到IMP，然后执行。

objc_msgSend(id _Nullable self, SEL _Nonnull op, ...)

当向一个对象发送消息时，会去这个类methodLists中查找对应的SEL，如果查不到，则通过super_class指针找到父类，再去父类的methodLists中查找，层层递进。最后仍然找不到，才走抛异常流程。

拦截调用和消息转发流程
重写

resolveClassMethod:
resolveInstanceMethod:

消息发送

基本的消息发送框架

objc_msgSend函数的调用过程：

• 第一步：检测这个selector是不是要忽略的。
• 第二步：检测这个target是不是nil对象。nil对象发送任何一个消息都会被忽略掉。
• 第三步：
  1.调用实例方法时，它会首先在自身isa指针指向的类（class）methodLists中查找该方法，如果找不到则会通过class的super_class指针找到父类的类对象结构体，然后从methodLists中查找该方法，如果仍然找不到，则继续通过super_class向上一级父类结构体中查找，直至根class；
  2.当我们调用某个某个类方法时，它会首先通过自己的isa指针找到metaclass，并从其中methodLists中查找该类方法，如果找不到则会通过metaclass的super_class指针找到父类的metaclass对象结构体，然后从methodLists中查找该方法，如果仍然找不到，则继续通过super_class向上一级父类结构体中查找，直至根metaclass；
• 第四部：前三部都找不到就会进入动态方法解析(看下文)。

动态方法解析

• 第一步：通过resolveInstanceMethod：方法决定是否动态添加方法。如果返回Yes则通过class_addMethod动态添加方法，消息得到处理，结束；如果返回NO，则进入下一步；

• 第二步：这步会进入forwardingTargetForSelector:方法，用于指定备选对象响应这个selector，不能指定为self。如果返回某个对象则会调用对象的方法，结束。如果返回nil，则进入第三部；

• 第三部：这步我们要通过methodSignatureForSelector:方法签名，如果返回nil，则消息无法处理。如果返回methodSignature`，则进入下一步；

• 第四部：这步调用forwardInvocation：方法，我们可以通过 anInvocation对象做很多处理，比如修改实现方法，修改响应对象等，如果方法调用成功，则结束。如果失败，则进入doesNotRecognizeSelector方法，若我们没有实现这个方法，那么就会crash。

Category

struct objc_category {
    char *category_name                                      OBJC2_UNAVAILABLE; // 类别名称
    char *class_name                                         OBJC2_UNAVAILABLE; // 类名
    struct objc_method_list *instance_methods                OBJC2_UNAVAILABLE; // 实例方法列表
    struct objc_method_list *class_methods                   OBJC2_UNAVAILABLE; // 类方法列表
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE; // 协议列表
}       

objc_category中包含对象方法列表、类方法列表、协议列表。

可以通过关联对象的方式给类别添加可用的属性

Runtime的常规操作

1. Method Swizzling方法交换
2. 获取所有属性和方法

Runtime的应用场景

1. AOP面向切面编程（对业务逻辑进行分离，降低耦合度）
2. 字典转模型
3. 进行归解档
4. 逆向开发
5. 热修复

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