iOS -- runtime-one

将代码转化为可执行程序，通常需要经过三个步骤：编译，连接，运行。不同的语言，这三个步骤的操作也有些不同
目前只看oc，动态语言，在编译阶段并不知道变量的具体类型，也不知道真正调用的哪个函数，只有在运行期才会检查数据类型，同时在运行时才会根据函数名查找具体的要调用的函数，这样在程序没运行的时候，我们不知道调用一个方法具体会发生什么
oc吧一些决定性的工作从编译链接阶段推迟到 运行时阶段，甚至可以在程序运行时候动态修改一个方法的实现，这也为大为流行的「热更新」提供了可能性。
RUNTIME实际是一个库，这个库使程序在运行的时候动态创建对象，检查对象，修改类和对象的方法

消息机制的基本原理

对象方法调用都是类似 [receiver selector]; 的形式，其本质就是让对象在运行时发送消息的过程。

我们来看看方法调用 [receiver selector]; 在「编译阶段」和「运行阶段」分别做了什么？

1. 编译阶段[receiver selector] 方法被编译器转化为
   objc_msgSend(receiver, selector)不带参数
   objc_msgSend(receiver, selector, org1, org2, …)带参数
2. 运行时：消息接受者receiver寻找对应的selector。
   通过对应的[[isa指针]]找到receiver的Class类
   在Class类的method list方法列表中找到对应的selector
   如果在Class中没找到这个selector，就继续在它的superClass类中寻找
3. 一旦在找到对应的selector方法，直接执行receiver对应的selector方法实现的[[IMP方法实现]]
4. 若找不到对应的selector，若没有实现消息被转发或者临时向receiver添加这个selector对应的实现方法，否则就会崩溃
   在上述过程中涉及了好几个新的概念：objc_msgSend、isa 指针、Class（类）、IMP（方法实现） 等，下面我们来具体讲解一下各个概念的含义。

Runtime 中的概念解析

objc_msgSend

所有 Objective-C 方法调用在编译时都会转化为对 C 函数 objc_msgSend 的调用。objc_msgSend(receiver，selector); 是 [receiver selector]; 对应的 C 函数。

Class（类）

在 objc/runtime.h 中，Class（类） 被定义为指向 objc_class 结构体 的指针，objc_class 结构体 的数据结构如下：

1. `/// An opaque type that represents an Objective-C class.`
2. `typedef struct objc_class *Class;`

4. `struct objc_class {`
5. `Class _Nonnull isa; // objc_class 结构体的实例指针`

7. `#if !__OBJC2__`
8. `Class _Nullable super_class; // 指向父类的指针`
9. `const char * _Nonnull name; // 类的名字`
10. `long version; // 类的版本信息，默认为 0`
11. `long info; // 类的信息，供运行期使用的一些位标识`
12. `long instance_size; // 该类的实例变量大小;`
13. `struct objc_ivar_list * _Nullable ivars; // 该类的实例变量列表`
14. `struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists; // 方法定义的列表`
15. `struct objc_cache * _Nonnull cache; // 方法缓存`
16. `struct objc_protocol_list * _Nullable protocols; // 遵守的协议列表`
17. `#endif`

19. `};`

从中可以看出，objc_class 结构体 定义了很多变量：自身的所有实例变量（ivars）、所有方法定义（methodLists）、遵守的协议列表（protocols）等。objc_class 结构体 存放的数据称为 元数据（metadata）。

objc_class 结构体 的第一个成员变量是 isa 指针，isa 指针 保存的是所属类的结构体的实例的指针，这里保存的就是 objc_class 结构体的实例指针，而实例换个名字就是 对象。换句话说，Class（类） 的本质其实就是一个对象，我们称之为 类对象。

Object（对象）

接下来，我们再来看看 objc/objc.h 中关于 Object（对象） 的定义。
Object（对象）被定义为 objc_object 结构体，其数据结构如下：

1. `/// Represents an instance of a class.`
2. `struct objc_object {`
3. `Class _Nonnull isa; // objc_object 结构体的实例指针`
4. `};`

6. `/// A pointer to an instance of a class.`
7. `typedef struct objc_object *id;`

这里的 id 被定义为一个指向 objc_object 结构体 的指针。从中可以看出 objc_object 结构体 只包含一个 Class 类型的 isa 指针。

UIlabel *arno = [[UILabel alloc] init];
//我创建了一个UILabel对象，arno是一个对象内容是一个isa指针，指向同时创建的类对象，alloc为类对象开辟了一个空间，data存在arnoisa指向的类对象空间中，类对象里面也有一个isa指针，指向其元类，元类存储了类对象的方法和静态变量等信息。每个类对象在运行时都有一个对应的元类。

换句话说，一个 Object（对象）唯一保存的就是它所属 Class（类） 的地址。当我们对一个对象，进行方法调用时，比如 [receiver selector];，它会通过 objc_object 结构体的 isa 指针 去找对应的 object_class 结构体，然后在 object_class 结构体 的 methodLists（方法列表） 中找到我们调用的方法，然后执行。

Meta Class

从上边我们看出， 对象（objc_object 结构体）的 isa 指针 指向的是对应的 类对象（object_class 结构体）。那么 类对象（object_class 结构体）的 isa 指针 又指向什么呢？
object_class 结构体 的 isa 指针 实际上指向的的是 类对象 自身的 Meta Class（元类）。
那么什么是 Meta Class（元类）？
Meta Class（元类） 就是一个类对象所属的 类。一个对象所属的类叫做 类对象，而一个类对象所属的类就叫做 元类。
当你给对象发送消息时，消息是在寻找这个对象的类的方法列表。
当你给类发消息时，消息是在寻找这个类的元类的方法列表。
对象 -> 类对象->元类

Runtime 中把类对象所属类型就叫做 Meta Class（元类），用于描述类对象本身所具有的特征，而在元类的 methodLists 中，保存了类的方法链表，即所谓的「类方法」。并且类对象中的 isa 指针 指向的就是元类。每个类对象有且仅有一个与之相关的元类。

在 2. 消息机制的基本原理 中我们讲解了 对象方法的调用过程，我们是通过对象的 isa 指针 找到 对应的 Class（类）；然后在 Class（类） 的 method list（方法列表） 中找对应的 selector 。
而 类方法的调用过程 和对象方法调用差不多，流程如下：

1. 通过类对象 isa 指针 找到所属的 Meta Class（元类）；
2. 在  Meta Class（元类） 的 method list（方法列表） 中找到对应的 selector;
3. 执行对应的 selector。
4. 下面看一个示例：

NSString *testString = [NSString stringWithFormat:@"%d,%s",3, "test"];

上边的示例中，stringWithFormat: 被发送给了 NSString 类，NSString 类 通过 isa 指针 找到 NSString 元类，然后在该元类的方法列表中找到对应的 stringWithFormat: 方法，然后执行该方法。

实例对象、类、元类之间的关系

上面，我们讲解了 实例对象（Object）、类（Class）、Meta Class（元类） 的基本概念，以及简单的指向关系。下面我们通过一张图来清晰地表示出这种关系。
![[Pasted image 20230529155240.png]]
我们先来看 isa 指针：

1. 水平方向上，每一级中的 实例对象 的 isa 指针 指向了对应的 类对象，而 类对象 的 isa 指针 指向了对应的 元类。而所有元类的 isa 指针 最终指向了 NSObject 元类，因此 NSObject 元类 也被称为 根源类。
2. 垂直方向上， 元类 的 isa 指针 和 父类元类 的 isa 指针 都指向了 根元类。而 根源类 的 isa 指针 又指向了自己。

我们再来看 父类指针：

1. 类对象 的  父类指针 指向了 父类的类对象，父类的类对象 又指向了 根类的类对象，根类的类对象 最终指向了 nil。
2. 元类 的 父类指针 指向了 父类对象的元类。父类对象的元类 的 父类指针指向了 根类对象的元类，也就是 根元类。而 根元类 的 父亲指针 指向了 根类对象，最终指向了 nil。

方法

object_class 结构体 的 methodLists（方法列表）中存放的元素就是 方法（Method）。

先来看下 objc/runtime.h 中，表示 方法（Method） 的 objc_method 结构体 的数据结构：

1. `/// An opaque type that represents a method in a class definition.`
2. `/// 代表类定义中一个方法的不透明类型`
3. `typedef struct objc_method *Method;`

5. `struct objc_method {`
6.     `SEL _Nonnull method_name;                    // 方法名`
7.     `char * _Nullable method_types;               // 方法类型`
8.     `IMP _Nonnull method_imp;                     // 方法实现`
9. `};`

可以看到，objc_method 结构体 中包含了 方法名（method_name），方法类型（method_types） 和 方法实现（method_imp）。下面，我们来了解下这三个变量。

1. SEL method_name; // 方法名

1. `/// An opaque type that represents a method selector.`
2. `typedef struct objc_selector *SEL;`

SEL 是一个指向 objc_selector 结构体 的指针，但是在 runtime 相关头文件中并没有找到明确的定义。不过，通过测试我们可以得出： SEL 只是一个保存方法名的字符串。

1. `SEL sel = @selector(viewDidLoad);`
2. `NSLog(@"%s", sel); // 输出：viewDidLoad`
3. `SEL sel1 = @selector(test);`
4. `NSLog(@"%s", sel1); // 输出：test`

2. IMP method_imp; // 方法实现

1. `/// A pointer to the function of a method implementation.`
2. `#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES`
3. `typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ );`
4. `#else`
5. `typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...);`
6. `#endif`

IMP 的实质是一个函数指针，所指向的就是方法的实现。IMP用来找到函数地址，然后执行函数。
3. char * method_types; // 方法类型

方法类型 method_types 是个字符串，用来存储方法的参数类型和返回值类型。

到这里， Method 的结构就已经很清楚了，Method 将 SEL（方法名） 和 IMP（函数指针） 关联起来，当对一个对象发送消息时，会通过给出的 SEL（方法名） 去找到  IMP（函数指针） ，然后执行。

RunTime消息转发

在 2. 消息机制的基本原理 最后一步中我们提到：若找不到对应的 selector，必须消息被转发或者临时向 recever 添加这个 selector 对应的实现方法，否则就会发生崩溃。

当一个方法找不到的时候，Runtime 提供了 消息动态解析、消息接受者重定向、消息重定向 等三步处理消息，具体流程如下图所示：
![[Pasted image 20230531170631.png]]

4.1 消息动态解析

OC运行时调用+resolveInstanceMethod：或者+resolveClassMethod：，让你有机会提供一个函数实现。我们重写这两个方法，添加其他函数实现，并返回YES，那么运行时系统就会重新启动一次消息发送的过程。
主要用法：

1. `// 类方法未找到时调起，可以在此添加类方法实现`
2. `+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel;`
3. `// 对象方法未找到时调起，可以在此对象方法实现`
4. `+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel;`

6. `/**`
7. `* class_addMethod 向具有给定名称和实现的类中添加新方法`
8. `* @param cls 被添加方法的类`
9. `* @param name selector 方法名`
10. `* @param imp 实现方法的函数指针`
11. `* @param types imp 指向函数的返回值与参数类型`
12. `* @return 如果添加方法成功返回 YES，否则返回 NO`
13. `*/`
14. `BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp,`
15. `const char * _Nullable types);`

举个例子

1. `#import "ViewController.h"`
2. `#include "objc/runtime.h"`

4. `@interface ViewController ()`

6. `@end`

8. `@implementation ViewController`

10. `- (void)viewDidLoad {`
11. `[super viewDidLoad];`

13. `// 执行 fun 函数`
14. `[self performSelector:@selector(fun)];`
15. `}`

17. `// 重写 resolveInstanceMethod: 添加对象方法实现`
18. `+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {`
19. `if (sel == @selector(fun)) { // 如果是执行 fun 函数，就动态解析，指定新的 IMP`
20. `class_addMethod([self class], sel, (IMP)funMethod, "v@:");`
21. `return YES;`
22. `}`
23. `return [super resolveInstanceMethod:sel];`
24. `}`

26. `void funMethod(id obj, SEL _cmd) {`
27. `NSLog(@"funMethod"); //新的 fun 函数`
28. `}`

30. `@end`

打印结果：
2019-06-12 10:25:39.848260+0800 runtime[14884:7977579] funMethod

从上边的例子中，我们可以看出，虽然我们没有实现 fun 方法，但是通过重写 resolveInstanceMethod: ，利用 class_addMethod 方法添加对象方法实现 funMethod 方法，并执行。从打印结果来看，成功调起了funMethod 方法。
我们注意到 class_addMethod 方法中的特殊参数 v@:，具体可参考官方文档中关于 [[Type Encodings]] 的说明：传送门

4.2 消息接受者重定向

如果上一步中 +resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod: 没有添加其他函数实现，运行时就会进行下一步：消息接受者重定向。

如果当前对象实现了 -forwardingTargetForSelector:，Runtime 就会调用这个方法，允许我们将消息的接受者转发给其他对象。
用到的方法：

1. `// 重定向方法的消息接收者，返回一个类或实例对象`
2. `- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;`

注意：这里+resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod:无论是返回 YES，还是返回 NO，只要其中没有添加其他函数实现，运行时都会进行下一步。
例子

1. `#import "ViewController.h"`
2. `#include "objc/runtime.h"`

4. `@interface Person : NSObject`

6. `- (void)fun;`

8. `@end`

10. `@implementation Person`

12. `- (void)fun {`
13. `NSLog(@"fun");`
14. `}`

16. `@end`

18. `@interface ViewController ()`

20. `@end`

22. `@implementation ViewController`

24. `- (void)viewDidLoad {`
25. `[super viewDidLoad];`

27. `// 执行 fun 方法`
28. `[self performSelector:@selector(fun)];`
29. `}`

31. `+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {`
32. `return YES; // 为了进行下一步 消息接受者重定向`
33. `}`

35. `// 消息接受者重定向`
36. `- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {`
37. `if (aSelector == @selector(fun)) {`
38. `return [[Person alloc] init];`
39. `// 返回 Person 对象，让 Person 对象接收这个消息`
40. `}`

42. `return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];`
43. `}`

打印结果：
2019-06-12 17:34:05.027800+0800 runtime[19495:8232512] fun

可以看到，虽然当前 ViewController 没有实现 fun 方法，+resolveInstanceMethod: 也没有添加其他函数实现。但是我们通过 forwardingTargetForSelector 把当前 ViewController 的方法转发给了 Person 对象去执行了。打印结果也证明我们成功实现了转发。

我们通过 forwardingTargetForSelector 可以修改消息的接收者，该方法返回参数是一个对象，如果这个对象是不是 nil，也不是 self，系统会将运行的消息转发给这个对象执行。否则，继续进行下一步：消息重定向流程。

4.3消息重定向

如果经过消息动态解析、消息接受者重定向，Runtime 系统还是找不到相应的方法实现而无法响应消息，Runtime 系统会利用 -methodSignatureForSelector:方法获取函数的参数和返回值类型。

• 如果 -methodSignatureForSelector: 返回了一个 NSMethodSignature 对象（函数签名），Runtime 系统就会创建一个 NSInvocation 对象，并通过 -forwardInvocation: 消息通知当前对象，给予此次消息发送最后一次寻找 IMP 的机会。
  • 如果 -methodSignatureForSelector: 返回 nil。则 Runtime 系统会发出 -doesNotRecognizeSelector: 消息，程序也就崩溃了。

所以我们可以在 -forwardInvocation: 方法中对消息进行转发。

用到的方法：

1. `// 获取函数的参数和返回值类型，返回签名`
2. `- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;`

4. `// 消息重定向`
5. `- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation；`

举个例子：

1. `#import "ViewController.h"`
2. `#include "objc/runtime.h"`

4. `@interface Person : NSObject`

6. `- (void)fun;`

8. `@end`

10. `@implementation Person`

12. `- (void)fun {`
13. `NSLog(@"fun");`
14. `}`

16. `@end`

18. `@interface ViewController ()`

20. `@end`

22. `@implementation ViewController`

24. `- (void)viewDidLoad {`
25. `[super viewDidLoad];`

27. `// 执行 fun 函数`
28. `[self performSelector:@selector(fun)];`
29. `}`

31. `+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {`
32. `return YES; // 为了进行下一步 消息接受者重定向`
33. `}`

35. `- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {`
36. `return nil; // 为了进行下一步 消息重定向`
37. `}`

39. `// 获取函数的参数和返回值类型，返回签名`
40. `- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {`
41. `if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"fun"]) {`
42. `return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];`
43. `}`

45. `return [super methodSignatureForSelector:aSelector];`
46. `}`

48. `// 消息重定向`
49. `- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {`
50. `SEL sel = anInvocation.selector; // 从 anInvocation 中获取消息`

52. `Person *p = [[Person alloc] init];`

54. `if([p respondsToSelector:sel]) { // 判断 Person 对象方法是否可以响应 sel`
55. `[anInvocation invokeWithTarget:p]; // 若可以响应，则将消息转发给其他对象处理`
56. `} else {`
57. `[self doesNotRecognizeSelector:sel]; // 若仍然无法响应，则报错：找不到响应方法`
58. `}`
59. `}`
60. `@end`

打印结果：
2019-06-13 13:23:06.935624+0800 runtime[30032:8724248] fun

可以看到，我们在 -forwardInvocation: 方法里面让 Person 对象去执行了 fun 函数。

既然 -forwardingTargetForSelector: 和 -forwardInvocation: 都可以将消息转发给其他对象处理，那么两者的区别在哪？

区别就在于 -forwardingTargetForSelector: 只能将消息转发给一个对象。而 -forwardInvocation: 可以将消息转发给多个对象。

以上就是 Runtime 消息转发的整个流程。

结合之前讲的 2. 消息机制的基本原理，就构成了整个消息发送以及转发的流程。下面我们来总结一下整个流程。

5. 消息发送以及转发机制总结

调用 [receiver selector]; 后，进行的流程：

1. 编译阶段：[receiver selector]; 方法被编译器转换为:
   1. objc_msgSend(receiver，selector) （不带参数）
   2. objc_msgSend(recevier，selector，org1，org2，…)（带参数）
2. 运行时阶段：消息接受者 recever 寻找对应的 selector。
   1. 通过 recevier 的 isa 指针 找到 recevier 的 class（类）；
   2. 在 class（类） 的 method list（方法列表） 中找对应的 selector；
   3. 如果在 class（类） 中没有找到这个 selector，就继续在它的 superclass（父类）中寻找；
   4. 一旦找到对应的 selector，直接执行 recever 对应 selector 方法实现的 IMP（方法实现）。
   5. 若找不到对应的 selector，Runtime 系统进入消息转发机制。
3. 运行时消息转发阶段：
   1. 动态解析：通过重写 +resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod:方法，利用 class_addMethod 方法添加其他函数实现；
   2. 消息接受者重定向：如果上一步添加其他函数实现，可在当前对象中利用 -forwardingTargetForSelector: 方法将消息的接受者转发给其他对象；
   3. 消息重定向：如果上一步没有返回值为 nil，则利用 -methodSignatureForSelector:方法获取函数的参数和返回值类型。
      1. 如果 -methodSignatureForSelector: 返回了一个 NSMethodSignature 对象（函数签名），Runtime 系统就会创建一个 NSInvocation 对象，并通过 -forwardInvocation: 消息通知当前对象，给予此次消息发送最后一次寻找 IMP 的机会。
         2. 如果 -methodSignatureForSelector: 返回 nil。则 Runtime 系统会发出 -doesNotRecognizeSelector: 消息，程序也就崩溃了。