Runtime原理探究

Runtime简介

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运行时最主要的是消息机制

• 对于C语言，函数调用在编译的时候会决定调用哪个函数
• 对于OC函数，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
  在编译阶段，C语言调用未实现的函数就会报错
• 如果向某个对象传递消息，在底层所有的方法都是普通的C语言函数，然而对象收到消息之后，究竟该调用哪个方法则完全取决于运行期决定，甚至可能在运行期改变，这些特性使得OC变成一门真正的动态语言
• 在Runtime中，对象可以使用C语言中的结构体表示，而方法可以用C函数实现，另外在加上了额外的特性，这些结构体和函数被Runtime函数封装后，让OC的面向对象编程变为可能

Objective-C中的数据结构

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1.id

运行时系统如何知道某个对象的类型呢？对象类型并不是在编译期就知道了，而是要在运行期查找，OC有个特殊类型id,它可以表示OC的任意对象类型，id类型定义在Runtime的头文件中：

struct obje_object {
          Class isa;
} *id;

由此可见，每个对象结构体的首个成员变量是Class类的isa，该变量定义了对象所属的类，通常指isa指针

objc_object

objc_object 是一个表示一个类实例的结构体，它的定义如下（objc/objc.h）:

struct objc_object{
           Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
typedef struce objc_object *id;

可以看到，这个结构体只有一个实体，基指向其类的isa指针。这样，当我们向一个OC对象发送消息时，运行时库会根据实例对象的isa指针找到这个实例对象所属的类，Runtime库会在类的方法列表以及父类的方法列表中寻找与消息对应的selector指向的方法，找到后即运行这个方法。

2.Class

Class对象也定义在Runtime的头文件中，查看objc/runtime.h中的objc_class结构体：Objective-c中，类是由Class类型来表示的，它实际是一个指向objc_class结构体的指针。

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;// 父类
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE; // 类名
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;//类的版本信息，默认为0
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;//类信息，供运行期使用的一些位标识
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;// 该类的实例变量大小
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;// 该类的成员变量链表
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;//方法定义的链表
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;//方法缓存
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;//协议链表
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

下面说下Class 结构体的几个主要变量：
1.isa:结构体的首个变量也是isa指针，这说明Class本身也是OC中的对象。isa指针非常重要，对象需要通过isa指针找到它的类，类需要isa找到元类，这在调用实例方法和类方法的时候起到重要作用。
2.super_class:结构体里还有个变量是super_class,它定义了本类的超类。类对象所属类型（isa指针所指向的类型）是另一个类，叫做元类。
3.ivars:成员变量列表，类的成员都在ivars里面。
4.methodLists:方法列表，类的实例方法都在methodLists里，类方法在元类的methodLists里面。methodLists是一个指针的指针，通过修改该指针指向指针的值，就可以动态的为某一个类添加成员方法。这就是Category实现的原理，同时也说明Category只可以为对象添加成员方法，不能添加成员变量。
5.cache:方法缓存列表，objc_msgSend(下文详解)每调用一次方法后，就会把该方法缓存到cache列表中，下次调用的时候，会优先从cache列表中寻找，如果cache没有，才从methodLists中查找方法，提高效率。

元类（Meta Class）

meta-class 是一个类对象的类。在上面我们提到，所有的类自身也是一个对象，我们可以向这个对象发送消息（即调用类方法）。既然是对象，那么它也是一个objc_object指针，它包含一个指向其类的一个isa指针，那么，这个isa指针指向什么呢？为了调用类方法，这个类的isa指针必须指向一个包含这个类方法的一个objc_class结构体。这就引出了meta-class的概念，meta-class中存储着一个类的所有类方法。所以，调用类方法的这个类对象的isa指针指向的就是meta-class 当我们向一个对象发送消息时，runtime会在这个对象所属的这个类的方法列表中查找方法；而向一个类发送消息时，会在这个类的meta-class的方法列表中查找。

再深入一下，meta-class 也是一个类，也可以向它发送一个消息，那么它的isa又是指向什么呢？为了不让这种结构无限延伸下去，Objective-C的设计者让所有的meta-class的isa指向基类的meta-class,以此作为他们的所属类。

即，任何NSObject继承体系下的meta-class都使用NSObject的meta-class作为自己的所属类，而基类的meta-class的isa指针是指向它自己。

通过上面的描述，再加上对objc_class结构体中super_class指针的分析，我们就可以描绘出类及相应meta-class类的一个继承体系了，如下代码

image.png

上图 superclass指针代表继承关系，isa指针代表实例所属的类。类也是一个对象，它是另一个类的实例，这个就是”元类“，元类里面保存了类方法的列表，类里面保存了实例方法的列表。实例对象的isa指向类，类对象的isa指向元类，元类对象的isa指向一个根元类(root metaclass)。所有子类的元类都继承父类的元类，换而言之，类对象和元类对象有同样的继承关系。

Class是一个指向objc_class结构体的指针，而id是一个指向objc_object结构体的指针，其中的isa是一个指向objc_class结构体的指针。其中的id就是我们说的对象，Class就是我们所说的类。isa指针不总是指向实例对象所属的类，不能依靠它来确定类型，而是应该用isKindOfClass:方法来确定实例对象的类。因为KVO的实现机制就是将被观察对象的isa指针指向一个中间类而不是真实的类。

Category

Category是表示一个指向分类的结构体的指针，其定义如下：

/// An opaque type that represents a category.
typedef struct objc_category *Category;
struct objc_category {
    char * _Nonnull category_name                            OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nonnull class_name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable instance_methods     OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable class_methods        OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
}  

这个结构体主要包含了分类定义的实例方法与类方法，其中instance_methods列表是objc_class中方法列表的一个子集，而class_methods列表是元类方法列表的一个子集。可发现，类别中没有ivar成员变量指针，也就意味着：类别中不能够添加实例变量和属性

struct objc_ivar_list *ivars             OBJC2_UNAVAILABLE;  // 该类的成员变量链表

3.SEL

• 方法交换（method swizzing）
  在Objctive-C中，对象收到消息后，究竟会调用哪种方法需要在运行期才能解析出来。查找消息的唯一依据是选择子（selector）,选择子（selector）与相应的方法（IMP）对应，利用Objective-C的动态特性，可以实现在运行时偷换选择子（selector）对应的方法实现，这就是方法交换 （method swizzing）.
  每个类都有一个方法列表，存放着selector的名字和方法实现的映射关系。IMP有点类似函数指针，指向具体的Method实现。

  
  
  类的方法列表会把每个选择子都映射到相关的IMP之上
  
  
  image.png

我们可以新增选择子，也可以改变某个选择子所对应的IMP，还可以交换两个选择子所映射到的指针。

• Objective-C中提供了三种API来动态替换类方法或实例方法的实现：
  1.class_replaceMethod替换类方法的定义。

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

2.method_exchangeImplementations交换两个方法的实现。

method_exchangeImplementations(Method m1,Method m2)

3.method_setImplementation设置一个方法的实现

method_setImplementation(Method m,IMP imp)

先说这三个方法的区别：

• class_replaceMethod:当类中没有想替换的原方法时，该方法调用class_addMethod来为类增加一个新方法，也正因如此，class_replaceMethod在调用时需传入types参数，而其余两个缺不需要。
• method_exchangeImplementations: 内部实现就是调用了两次method_setImplemetation方法。

再来看看他们的使用场景：

+ (void)load
{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{

        SEL originalSelector = @selector(willMoveToSuperview:);
        SEL swizzledSelector = @selector(myWillMoveToSuperview:);

        Method originalMethod = class_getInstanceMethod(self, originalSelector);
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(self, swizzledSelector);
        
        BOOL didAddMethod = class_addMethod(self, 
                                            originalSelector,
                                            method_getImplementation(swizzledMethod),
                                            method_getTypeEncoding(swizzledMethod));

        if (didAddMethod) {
            class_replaceMethod(self, 
                                swizzledSelector, 
                                method_getImplementation(originalMethod),
                                method_getTypeEncoding(originalMethod));
        } else {
            method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
        }
    });
}

- (void)myWillMoveToSuperview:(UIView *)newSuperview
{
    NSLog(@"WillMoveToSuperview: %@", self); 
    [self myWillMoveToSuperview:newSuperview];
}

总结

class_replaceMethod,当需要替换的方法有可能不存在是，可以考虑使用该方法。
method_exchangeImplementations，当需要交换两个方法时使用
method_setImplementation是最简单的用法，当仅仅需要为一个方法设置其实现方式时实现。

4.Ivar

ivar 代表类中实例变量的类型，在Runtime的头文件中的定义如下：
typedef struct objc_ivar *Ivar;
objc_ivar的定义如下：

struct objc_ivar {
    char * _Nullable ivar_name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nullable ivar_type                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    int ivar_offset                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}

class_copyIvarList(Class cls,unsigned int *outCount)可以使用这个方法获取某个类的成员变量列表

5.objc_property_t

objc_property_t是属性，在Runtime的头文件中的定义如下：
typedef struct objc_property *objc_property_t;
class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount) 可以使用这个方法获取某个类的属性列表。

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