Runtime从入门到进阶二

上一篇文章Runtime从入门到进阶一介绍了消息发送，以及与之相关的Object、Class、metaClass、Method等。这一篇文章将介绍动态方法解析、消息转发和 runtime 的具体应用。

在消息解析阶段找不到 selector，会进入动态方法解析、消息转发，这样可以捕获、响应未处理消息。即当有未处理消息时，提供了额外处理的机会，避免应用崩溃。

执行以下代码会发生什么？

    [engineer run];

如果Engineer实现了run方法，runtime 会查找到实现run方法的类并调用；当查找不到run方法时，会进入以下阶段：

1. 动态方法解析：runtime 查看该类的resolveInstanceMethod:方法，在该方法内使用class_addMethod()函数动态添加方法并返回YES。这时会再次进入消息发送阶段，并标记为已进行动态方法解析，即使找不到方法也不会再次进行动态方法解析。如果是类方法，在resolveClassMethod:方法内实现所需功能。
2. 快速转发：runtime 查看该类的forwardingTargetForSelector:方法。如果该方法返回值不为nil、self，返回的 target 进入处理消息阶段。
3. 消息转发：runtime 先查看methodSignatureForSelector:方法返回值，判断返回值、参数类型。如果 method signature 不为nil，runtime 创建描述消息的NSInvocation，并向对象发送forwardInvocation:；如果 method signature 为nil，表示彻底放弃处理消息，runtime 发送doesNotRecognizeSelector:消息。

1. 动态方法解析

Runtime 通过查找方法或IMP来发送消息，然后跳转到该方法。有时，将IMP动态的插入到类中，而非预先设置可能很有用。这样可以实现快速”转发“，因为解析之后，其将作为常规消息发送的一部分进行调用。缺点是其不够灵活，需要准备好要插入的IMP和其 type encoding。

void otherRun(id self, SEL _cmd) {
    NSLog(@"%s", __func__);
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(run)) {
        class_addMethod([self class], sel, (IMP)otherRun, "v@:");
        return YES;
    } else {
        return [super resolveInstanceMethod:sel];
    }
}

调用run方法，输出如下：

 // 调用 run
 [engineer run];
 
 // 输出如下
 otherRun

可以看到其并没有崩溃。如果要动态解析类方法，重写resolveClassMethod:即可。

事实上，动态解析之后返回YES和NO没有区别。源码如下：

/***********************************************************************
* _class_resolveMethod
* Call +resolveClassMethod or +resolveInstanceMethod.
* Returns nothing; any result would be potentially out-of-date already.
* Does not check if the method already exists.
**********************************************************************/
void _class_resolveMethod(Class cls, SEL sel, id inst)
{
    if (! cls->isMetaClass()) {
        // try [cls resolveInstanceMethod:sel]
        // 动态解析实例方法
        _class_resolveInstanceMethod(cls, sel, inst);
    } 
    else {
        // try [nonMetaClass resolveClassMethod:sel]
        // and [cls resolveInstanceMethod:sel]
        // 动态解析类方法
        _class_resolveClassMethod(cls, sel, inst);
        if (!lookUpImpOrNil(cls, sel, inst, 
                            NO/*initialize*/, YES/*cache*/, NO/*resolver*/)) 
        {
            _class_resolveInstanceMethod(cls, sel, inst);
        }
    }
}

/***********************************************************************
* _class_resolveInstanceMethod
* Call +resolveInstanceMethod, looking for a method to be added to class cls.
* cls may be a metaclass or a non-meta class.
* Does not check if the method already exists.
**********************************************************************/
static void _class_resolveInstanceMethod(Class cls, SEL sel, id inst)
{
    if (! lookUpImpOrNil(cls->ISA(), SEL_resolveInstanceMethod, cls, 
                         NO/*initialize*/, YES/*cache*/, NO/*resolver*/)) 
    {
        // Resolver not implemented.
        return;
    }

    BOOL (*msg)(Class, SEL, SEL) = (typeof(msg))objc_msgSend;
    // 拿到是否动态解析的返回值
    bool resolved = msg(cls, SEL_resolveInstanceMethod, sel);

    // Cache the result (good or bad) so the resolver doesn't fire next time.
    // +resolveInstanceMethod adds to self a.k.a. cls
    IMP imp = lookUpImpOrNil(cls, sel, inst, 
                             NO/*initialize*/, YES/*cache*/, NO/*resolver*/);
    
    // 使用返回值进行打印，并没有其他操作。
    if (resolved  &&  PrintResolving) {
        if (imp) {
            _objc_inform("RESOLVE: method %c[%s %s] "
                         "dynamically resolved to %p", 
                         cls->isMetaClass() ? '+' : '-', 
                         cls->nameForLogging(), sel_getName(sel), imp);
        }
        else {
            // Method resolver didn't add anything?
            _objc_inform("RESOLVE: +[%s resolveInstanceMethod:%s] returned YES"
                         ", but no new implementation of %c[%s %s] was found",
                         cls->nameForLogging(), sel_getName(sel), 
                         cls->isMetaClass() ? '+' : '-', 
                         cls->nameForLogging(), sel_getName(sel));
        }
    }
}

可以看到，只使用返回值进行了打印，没有进一步的操作。但推荐遵守文档规范，解析后返回YES；反之，返回NO。

2. 消息转发

如果在动态方法解析阶段未处理消息，则会进入消息转发阶段，其首先进入快速转发。

2.1 快速转发

进入转发阶段后，runtime 首先会判断是否希望将消息完整转发给其他对象。这是常用的转发，开销相对小一些。

Runtime 会给forwardingTargetForSelector:发送消息，如果该方法返回non-nil、non-self对象，则返回的对象作为 receiver 接收消息；如果返回的是self，则会进入无限循环。如果在子类实现了该方法，但对某个 selector 没有对象可以返回，则需调用super实现。

在下面的代码中，Engineer只声明了numberOfDaysInMonth:方法，并未实现。Student类声明并实现了numberOfDaysInMonth:方法：

@interface Engineer : Person
- (int)numberOfDaysInMonth:(int)month;
@end

@implementation Engineer
@end

@interface Student : NSObject
- (int)numberOfDaysInMonth:(int)month;
@end

@implementation Student
- (int)numberOfDaysInMonth:(int)month {
    NSLog(@"%s", __func__);
    return 99;
}
@end

执行[engineer numberOfDaysInMonth:3]会崩溃，可以通过将numberOfDaysInMonth:消息转发给Student解决这一问题。

在Engineer.m实现部分添加以下代码：

// 快速转发
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(numberOfDaysInMonth:)) {
        return [[Student alloc] init];
    } else {
        return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
    }
}

再次执行[engineer numberOfDaysInMonth:3]，输出如下：

 -[Student numberOfDaysInMonth:]

通过forwardingTargetForSelector:可以实现多重继承。

forwardingTargetForSelector:可以将未知消息转发给其他对象处理，其比forwardInvocation:更为轻量。如果只将消息转发给其他对象处理，这是一个很好的解决方案；如果想要捕获NSInvocation，获取转发消息的参数、返回值，则应使用forwardInvocation:方法。

2.2 常规转发

动态方法解析、快速转发是转发的优化，可以进行快速转发。如果没有在上述阶段采取措施，就会进入常规消息转发。在常规消息转发时，会创建封装了消息信息的NSInvocation，NSInvocation包含 target、selector、参数，还可以控制返回值。

为了将参数封装到NSInvocation，runtime 需要知道参数数量、类型，返回值类型，这些信息封装到NSMethodSignature提供。通过methodSignatureForSelector:方法为其提供NSMethodSignature。

invocation 创建完成后，runtime 调用forwardInvocation:方法。在该方法内，可以进行任意操作。

假设没有在快速处理阶段处理numberOfDaysInMonth:方法，可以通过下面代码进行处理：

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(numberOfDaysInMonth:)) {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"i@:I"];
    } else {
        return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
    }
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    NSLog(@"%@ %@", anInvocation.target, NSStringFromSelector(anInvocation.selector));
    [anInvocation invokeWithTarget:[[Student alloc] init]];
}

invokeWithTarget:方法可以更改消息的 target。

另外，getArgument:atIndex:方法可以获取 invocation 参数：

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    ...
    int month;
    [anInvocation getArgument:&month atIndex:2];
    NSLog(@"%d", month + 10);
}

NSInvocation第一个参数是 id 类型的self，第二个参数是 SEL 类型的_cmd。所以，上述方法的 month 参数 index 为2。

利用forwardInvocation:可以解决方法找不到的异常问题。

Runtime 不仅对实例方法进行转发，也会对类方法进行转发，但 Xcode 不能自动补全forwardingTargetForSelector:、methodSignatureForSelector:、forwardInvocation:类方法。

// 快速转发
+ (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
   if (aSelector == @selector(numberOfDaysInMonth:)) {
       return [Student class];
   } else {
       return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
   }
}

// 常规转发
+ (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
   if (aSelector == @selector(numberOfDaysInMonth:)) {
       return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"i@:I"];
   } else {
       return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
   }
}

+ (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
   NSLog(@"%@ %@", anInvocation.target, NSStringFromSelector(anInvocation.selector));
   [anInvocation invokeWithTarget:[Student class]];
   
   int month;
   [anInvocation getArgument:&month atIndex:2];
   NSLog(@"%d", month + 10);
}

下面是消息查找的源码：

/***********************************************************************
* lookUpImpOrForward.
* The standard IMP lookup. 
* initialize==NO tries to avoid +initialize (but sometimes fails)
* cache==NO skips optimistic unlocked lookup (but uses cache elsewhere)
* Most callers should use initialize==YES and cache==YES.
* inst is an instance of cls or a subclass thereof, or nil if none is known. 
*   If cls is an un-initialized metaclass then a non-nil inst is faster.
* May return _objc_msgForward_impcache. IMPs destined for external use 
*   must be converted to _objc_msgForward or _objc_msgForward_stret.
*   If you don't want forwarding at all, use lookUpImpOrNil() instead.
**********************************************************************/
IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst, 
                       bool initialize, bool cache, bool resolver)
{
    IMP imp = nil;
    // 首次进入，标记为未进行动态方法解析。
    bool triedResolver = NO;

    runtimeLock.assertUnlocked();

    // 缓存中如果存在，直接从缓存中取。
    if (cache) {
        imp = cache_getImp(cls, sel);
        if (imp) return imp;
    }

    // runtimeLock is held during isRealized and isInitialized checking
    // to prevent races against concurrent realization.

    // runtimeLock is held during method search to make
    // method-lookup + cache-fill atomic with respect to method addition.
    // Otherwise, a category could be added but ignored indefinitely because
    // the cache was re-filled with the old value after the cache flush on
    // behalf of the category.

    runtimeLock.read();

    if (!cls->isRealized()) {
        // Drop the read-lock and acquire the write-lock.
        // realizeClass() checks isRealized() again to prevent
        // a race while the lock is down.
        runtimeLock.unlockRead();
        runtimeLock.write();

        realizeClass(cls);

        runtimeLock.unlockWrite();
        runtimeLock.read();
    }

    if (initialize  &&  !cls->isInitialized()) {
        runtimeLock.unlockRead();
        _class_initialize (_class_getNonMetaClass(cls, inst));
        runtimeLock.read();
        // If sel == initialize, _class_initialize will send +initialize and 
        // then the messenger will send +initialize again after this 
        // procedure finishes. Of course, if this is not being called 
        // from the messenger then it won't happen. 2778172
    }

    
 retry:    
    runtimeLock.assertReading();

    // Try this class's cache.

    imp = cache_getImp(cls, sel);
    if (imp) goto done;

    // Try this class's method lists.
    {
        Method meth = getMethodNoSuper_nolock(cls, sel);
        if (meth) { // 从当前类的 method lists查找，找到后添加到缓存。
            log_and_fill_cache(cls, meth->imp, sel, inst, cls);
            imp = meth->imp;
            goto done;
        }
    }

    // 进入父类缓存、method lists查找
    // Try superclass caches and method lists.
    {
        unsigned attempts = unreasonableClassCount();
        for (Class curClass = cls->superclass;
             curClass != nil;
             curClass = curClass->superclass)
        {
            // Halt if there is a cycle in the superclass chain.
            if (--attempts == 0) {
                _objc_fatal("Memory corruption in class list.");
            }
            
            // Superclass cache.
            imp = cache_getImp(curClass, sel);
            if (imp) {
                if (imp != (IMP)_objc_msgForward_impcache) {    // 如果在父类缓存找到，添加到消息接收者缓存。
                    // Found the method in a superclass. Cache it in this class.
                    log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass);
                    goto done;
                }
                else {
                    // Found a forward:: entry in a superclass.
                    // Stop searching, but don't cache yet; call method 
                    // resolver for this class first.
                    break;
                }
            }
            
            // Superclass method list.
            Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
            if (meth) { // 在父类 method list 找到，添加到消息接收者缓存。
                log_and_fill_cache(cls, meth->imp, sel, inst, curClass);
                imp = meth->imp;
                goto done;
            }
        }
    }
    
    // 如果还没有动态解析过，进行动态方法解析。
    // No implementation found. Try method resolver once.
    if (resolver  &&  !triedResolver) {
        runtimeLock.unlockRead();
        _class_resolveMethod(cls, sel, inst);
        runtimeLock.read();
        // Don't cache the result; we don't hold the lock so it may have 
        // changed already. Re-do the search from scratch instead.
        // 标记为已动态解析，再次尝试消息发送。
        triedResolver = YES;
        goto retry;
    }
    
    // 没有找到imp，动态解析也没有找到，进行消息转发。
    // No implementation found, and method resolver didn't help. 
    // Use forwarding.
    imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache;
    cache_fill(cls, sel, imp, inst);

 done:
    runtimeLock.unlockRead();

    return imp;
}

3. 具体应用

Runtime 应用场景非常多，下面介绍一些常用的场景。

3.1 交换方法 Method Swizzling

Method swizzling 是改变现有 selector 的实现。

假设需要拦截UIButton点击事件。可以在每个UIButton的响应事件中拦截，但需要添加很多代码。继承自自定义的UIButton也是一种解决方案，但需要修改所有按钮，且后续需使用指定的 button。另一种解决方案是为UIButton创建分类，在分类中实现 method swizzling。

@implementation UIControl (Extension)

+ (void)load {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        Class cls = [self class];
        
        SEL originalSelector = @selector(sendAction:to:forEvent:);
        SEL swizzledSelector = @selector(pr_sendAction:to:forEvent:);
        
        Method originalMethod = class_getInstanceMethod(cls, originalSelector);
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(cls, swizzledSelector);
        
        BOOL didAddMethod = class_addMethod(cls, originalSelector, method_getImplementation(swizzledMethod), method_getTypeEncoding(swizzledMethod));
        if (didAddMethod) {
            class_replaceMethod(cls, swizzledSelector, method_getImplementation(originalMethod), method_getTypeEncoding(originalMethod));
        } else {
            method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
        }
    });
}

- (void)pr_sendAction:(SEL)action to:(id)target forEvent:(UIEvent *)event {
    // 进行所需的处理
    NSLog(@"--- %@ --- %@ --- %@ ---", self, NSStringFromSelector(action), target);
    
    [self pr_sendAction:action to:target forEvent:event];
}

@end

UIButton继承自UIControl，点击事件会调用sendAction:to:forEvent:，因此这里交换endAction:to:forEvent:。

3.1.1 load vs initialize

交换方法应写在load方法中。

Objective-C 的 runtime 会自动调用load和initialize方法。类初次加载时调用load方法，调用类的第一个实例方法、类方法之前调用initialize方法。两个方法都是可选实现，并且仅在实现该方法时才执行。

由于，Method Swizzling 影响全局状态，应尽可能避免 race condition。类初始化期间确保会调用load方法，这样可以使全局行为一致。相反，initialize方法不能明确调用时间。如果没有消息发送给该类，initialize永远不会被调用。

3.1.2 Method Swizzling 应在 dispatch_once 中进行

因为交换方法会改变全局状态，要尽可能确保其只执行一次。原子性就是这样一种预防措施，即使从不同线程调用它也可以确保只执行一次。Grand Central Dispatch 的dispatch_once可以满足这种需求，在dispatch_once中执行交换方法应是标准操作。

类初次加载时会调用load方法，一般load只会执行一次。如果没有使用dispatch_once，手动调用load方法后会出现问题。

3.1.3 调用自身

下面的代码看似会进入无限循环：

- (void)pr_sendAction:(SEL)action to:(id)target forEvent:(UIEvent *)event {
    // 进行所需的处理
    NSLog(@"--- %@ --- %@ --- %@ ---", self, NSStringFromSelector(action), target);
    
    [self pr_sendAction:action to:target forEvent:event];
}

事实证明其不会进入无限循环。pr_sendAction:to:forEvent:的IMP指针已经指向了sendAction:to:forEvent:实现。如果在上述方法内调用sendAction:to:forEvent:，则会进入无限循环。

分类方法一般需要添加前缀，以避免和系统方法重复。

3.1.4 为何要先添加 method

既然method_exchangeImplementations()可以交换方法的IMP，为何不直接交换？为何还需要使用class_addMethod()、class_replaceMethod()函数。

User继承自NSObject，PremiumUser继承自User。User声明并实现了happyBirthday方法，PremiumUser没有重写happyBirthday方法。如果此时在PremiumUser类直接交换happyBirthday方法，会发生什么？

交换之后，子类方法实现指向父类，父类方法实现指向子类。但由于子类并未重写happyBirthday方法，如果父类此时调用happyBirthday方法，app 会抛出unrecognized selector sent to instance：

@implementation PremiumUser
+ (void)load {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        Class cls = [self class];
        SEL originalSelector = @selector(happyBirthday);
        SEL swizzledSelector = @selector(pr_happyBirthday);
        
        Method originalMethod = class_getInstanceMethod(cls, originalSelector);
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(cls, swizzledSelector);
        
        method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
    });
}

- (void)pr_happyBirthday {
    NSLog(@"+++ %s +++", __func__);
    
    [self pr_happyBirthday];
}
@end

- (void)testMethodSwizzling {
    // 如果直接使用 method_exchangeImplementations(),调用父类的happyBirthday会闪退。
    User *user = [[User alloc] init];
    [user happyBirthday];
}

使用class_addMethod()添加到子类，即重写父类方法，可以解决方法找不到的问题：

        BOOL success = class_addMethod(cls, originalSelector, method_getImplementation(swizzledMethod), method_getTypeEncoding(swizzledMethod));
        if (success) {
            Method original = class_getInstanceMethod(cls, originalSelector);
            Method swizzle = class_getInstanceMethod(cls, swizzledSelector);
            
            IMP oriIMP = method_getImplementation(original);
            IMP swiIMP = method_getImplementation(swizzle);
            
            class_replaceMethod(cls, swizzledSelector, method_getImplementation(originalMethod), method_getTypeEncoding(originalMethod));
        }

po查看oriIMP、swiIMP指针会发现其现在指向同一IMP:

(lldb) po oriIMP
(Runtime`-[PremiumUser pr_happyBirthday] at PremiumUser.m:47)

(lldb) po swiIMP
(Runtime`-[PremiumUser pr_happyBirthday] at PremiumUser.m:47)

这时使用class_replaceMethod()替换IMP即可。

判断class_addMethod()是比较安全的写法。如果确定当前类存在要交换的方法，也可以直接使用method_exchangeImplementations()函数。

method_exchangeImplementations()函数可以看作是交换IMP，交换后会清空缓存。

3.1.5 注意事项

Method swizzling 容易发生不可预测的行为和无法预料的后果，使用时需注意以下事项：

• 在交换方法内调用原始方法的IMP，除非有明确原因不进行这种操作。不调用原始实现，可能导致系统私有状态改变，app 其他功能失效等。
• 分类方法添加前缀，并确保没有其他方法（包括依赖库）使用相同名称。
• 即使你对Foundation、UIKit或其他系统API再熟悉，也应知道系统下一次的更新可能改变原来实现，导致交换方法失效。

还可以通过交换NSMutableArray的insertObject:atIndex:方法，解决向数组添加nil元素导致崩溃的问题。因为NSString、NSDictionary、NSMutableArray、NSNumber是类簇，真实类型是其他类型，需要注意交换方法的类名称。

3.1.6 method_exchangeImplementations() 源码

method_exchangeImplementations()源码如下：

void method_exchangeImplementations(Method m1, Method m2)
{
    if (!m1  ||  !m2) return;

    rwlock_writer_t lock(runtimeLock);

    IMP m1_imp = m1->imp;
    m1->imp = m2->imp;
    m2->imp = m1_imp;

    // RR/AWZ updates are slow because class is unknown
    // Cache updates are slow because class is unknown
    // fixme build list of classes whose Methods are known externally?

    flushCaches(nil);

    updateCustomRR_AWZ(nil, m1);
    updateCustomRR_AWZ(nil, m2);
}

可以看到其只是交换imp，交换之后清空缓存。

4. 关联对象 Associated Objects

关联对象（associated objects，也称为 associative references）允许对象在运行时关联任何值。其有以下三个函数：

• objc_setAssociatedObject：为指定对象、使用指定key关联值。值为nil时，用于清楚关联对象。
• objc_getAssociatedObject：取出指定对象使用指定key关联的值。
• objc_removeAssociatedObjects：清除指定对象的所有关联对象。主要用于将对象还原为「初始状态」，不应用于从对象中删除关联对象，因为它会删除所有对象添加到该对象的关联。通常，为objc_setAssociatedObject传值nil以清除关联。

使用 associated objects 可以为分类添加属性：

@interface UIView (DefaultColor)
@property (nonatomic, strong) UIColor *defaultColor;
@end

static void *kDefaultColorKey = &kDefaultColorKey;
@implementation UIView (DefaultColor)
- (UIColor *)defaultColor {
    return objc_getAssociatedObject(self, kDefaultColorKey);
}

- (void)setDefaultColor:(UIColor *)defaultColor {
    objc_setAssociatedObject(self, kDefaultColorKey, defaultColor, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}
@end

kDefaultColorKey 表示一个静态变量指向其自身，即一个唯一的常量。由于SEL也是唯一、常量，也可以使用SEL替换上述key。

4.1 内存管理

objc_AssociationPolicy枚举类型决定关联值存储类型。

objc_AssociationPolicy	对应property	描述
OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN	@property(assign)	对关联对象弱引用。
OBJC_ASSOCIATION_COPY	@property(nonatomic, strong)	对关联对象强引用，非原子性。
OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC	@property(nonatomic, copy)	复制关联对象，非原子性。
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN	@property(atomic, strong)	对关联对象强引用，原子性。
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC	@property(atomic, copy)	复制关联对象，原子性。

4.2 移除关联对象的值

不要使用objc_removeAssociatedObjects()函数移除关联对象，objc_removeAssociatedObjects()主要用于将对象还原为「初始状态」，开发者极少需要调用该函数。需要移除关联对象时，为为objc_setAssociatedObject()传值nil即可。

关联对象应作为万不得已的方法，而非遇到问题的首选解决方案。

5. 创建类

使用 runtime 创建类与使用代码创建类效果一致，只是 runtime 会直接在内存中创建。可以向类添加方法、实例变量、协议等。

5.1 创建类

使用objc_allocateClassPair()函数可以在运行时创建类，传入要创建类的父类、类名称、大小，返回创建的类：

    Class newCls = objc_allocateClassPair([NSObject class], "Dog", 0);

5.2 添加方法

使用class_addMethod()函数向类添加方法。该函数有以下四个参数：

• cls：要添加方法的类。
• name：方法名称，即 selector。
• imp：要添加的方法的IMP。
• types：要添加方法的 type encoding。

如下所示：

    class_addMethod(newCls, @selector(run), (IMP)run, "v@:");

5.3 添加成员变量

使用class_addIvar()函数添加成员变量。该函数有以下几个参数：

• cls：要添加成员变量的类。不能是元类，不支持向元类添加成员变量。
• name：成员变量名称。
• size：成员变量大小。如果成员变量是普通 C 类型，可以使用sizeof()获取其大小。
• alignment：成员变量对齐方式。表示成员变量的存储在内存中如何对齐，包括与上一个成员变量的padding。该参数一般是 alignment 的 log2，而非 alignment 本身。传入1表示边界是2，传入4表示 alignment 是16字节。由于大部分类型希望按照自身大小对齐，可以直接传入log2(sizeof(type))。
• types：添加的成员变量类型。可以通过@encode()指令获取。

如下所示：

    class_addIvar(newCls, "_age", sizeof(int), log2(sizeof(int)), @encode(int));
    class_addIvar(newCls, "_weight", sizeof(int), log2(sizeof(int)), @encode(int));

成员变量是只读的，位于 class_ro_t *ro，注册完成后不可变。

只能在objc_allocateClassPair()函数后、objc_registerClassPair()函数前，调用objc_addIvar()函数。不能使用objc_addIvar()向已经存在的类添加成员变量。

此外，使用class_addProtocol()函数声明类遵守某项协议，使用class_addProperty()函数为类添加属性。

5.4 注册类

配置完毕后，必须注册类才可以使用。使用objc_registerClassPair()函数注册类：

    objc_registerClassPair(newCls);

5.5 访问成员变量

访问成员变量时不能直接调用访问器方法，因为编译器甚至不知道该属性是否存在。

使用键值编码设值、取值。其会将基本类型转换为NSValue、NSNumber。

    [dog setValue:@10 forKey:@"_age"];
    [dog setValue:@20 forKey:@"_weight"];
    NSLog(@"%@ %@", [dog valueForKey:@"_age"], [dog valueForKey:@"_weight"]);

5.6 使用类

注册之后，可以像其他类一样使用。

    id dog = [[newCls alloc] init];
    [dog run];

5.7 销毁类

使用objc_allocateClassPair()创建的类，不再使用时需使用objc_disposeClassPair()函数销毁。但该类及其子类存在时，不能调用objc_disposeClassPair()，否则会抛出Attempt to use unknown class错误。

    // 当newClass类及子类存在时，不能调用objc_disposeClassPair()函数，否则会抛出Attempt to use unknown class错误。
    dog = nil;
    // 不需要的时候释放newCls。
    objc_disposeClassPair(newCls);

6. 查看私有成员变量

系统提供的功能有时不能满足需求，需要修改系统控件的某些属性。如果没有可用API直接修改，可以通过class_copyIvarList()获取、遍历其私有成员变量。

修改UITextField占位符颜色需要使用NSAttributedString。如果使用私有成员变量应该如何修改呢？

    self.textField.placeholder = @"github.com/pro648";
    
    unsigned int count;
    Ivar *ivars = class_copyIvarList(self.textField.class, &count);
    for (int i=0; i

上述代码会输出所有成员变量：

 ...
_clearButton @"UIButton"
_clearButtonOffset {CGSize="width"d"height"d}
_leftViewOffset {CGSize="width"d"height"d}
_rightViewOffset {CGSize="width"d"height"d}
_backgroundView @"UITextFieldBorderView"
_disabledBackgroundView @"UITextFieldBorderView"
_systemBackgroundView @"UITextFieldBackgroundView"
_textContentView @"_UITextFieldCanvasView"
_floatingContentView @"_UIFloatingContentView"
_contentBackdropView @"UIVisualEffectView"
_fieldEditorBackgroundView @"_UIDetachedFieldEditorBackgroundView"
_fieldEditorEffectView @"UIVisualEffectView"
_placeholderLabel @"UITextFieldLabel"
...

可以看到清空是UIButton，placeholderLabel 是UITextFieldLabel类型，通过isKindOfClass可以判断其是UILabel子类。因此，可以使用以下代码修改修改占位符颜色：

    id placeholderLabel = [self.textField valueForKeyPath:@"placeholderLabel"];
    if ([placeholderLabel isKindOfClass:UILabel.class]) {
        UILabel *label = (UILabel *)placeholderLabel;
        label.textColor = [UIColor redColor];
    }

由于占位符使用了懒加载，需先设值占位符，才能查看到占位符变量名称。

4. 问题

4.1 super的本质

调用以下init方法，输出结果是什么？

@interface Browser : NSObject
@end
@implementation Browser
@end

@interface Safari : Browser
- (instancetype)init;
@end
@implementation Safari
- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        NSLog(@"[self class] = %@", [self class]);
        NSLog(@"[super class] = %@", [super class]);
        NSLog(@"[self superclass] = %@", [self superclass]);
        NSLog(@"[super superclass] = %@", [super superclass]);
    }
    return self;
}
@end

输出如下：

[self class] = Safari
[super class] = Safari
[self superclass] = Browser
[super superclass] = Browser

class、superclass的实现在NSObject中，源码如下：

+ (Class)class {
    return self;
}

- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}

+ (Class)superclass {
    return self->superclass;
}

- (Class)superclass {
    return [self class]->superclass;
}

可以看到，class方法返回的object_getClass(self)，即消息接收者的类。superclass返回的是消息接收者的父类。

objc_super结构体如下，其定义了两个成员：消息接收者、父类。

/// Specifies the superclass of an instance. 
struct objc_super {
    /// Specifies an instance of a class.
    __unsafe_unretained _Nonnull id receiver;

    /// Specifies the particular superclass of the instance to message. 
#if !defined(__cplusplus)  &&  !__OBJC2__
    /* For compatibility with old objc-runtime.h header */
    __unsafe_unretained _Nonnull Class class;
#else
    __unsafe_unretained _Nonnull Class super_class;
#endif
    /* super_class is the first class to search */
};

objc_msgSendSuper()源码如下：

/** 
 * Sends a message with a simple return value to the superclass of an instance of a class.
 * 
 * @param super A pointer to an \c objc_super data structure. Pass values identifying the
 *  context the message was sent to, including the instance of the class that is to receive the
 *  message and the superclass at which to start searching for the method implementation.
 * @param op A pointer of type SEL. Pass the selector of the method that will handle the message.
 * @param ...
 *   A variable argument list containing the arguments to the method.
 * 
 * @return The return value of the method identified by \e op.
 * 
 * @see objc_msgSend
 */
OBJC_EXPORT id _Nullable
objc_msgSendSuper(struct objc_super * _Nonnull super, SEL _Nonnull op, ...)

可以看到superclass指定开始查找实现的起点。因此，[super class]只是指定从父类开始查找class的实现，消息接收者仍然是当前类。由于class在NSObject中实现，因此输出和[self class]一致。

在self = [super init];添加断点，运行至断点后选择Debug >> Debug Workflow >> Always Show Disassembly 查看汇编代码，可以看到其实质上调用的是objc_msgSendSuper2。

Runtimeobjc_msgSendSuper2.png

还可以通过 Product >> Perform Action >> Assemble "Safari.m" 将文件转变为汇编代码，如下所示：

    ...
    .loc    3 15 12 prologue_end    ; Runtime/Q&A/Safari.m:15:12
    ldur    x0, [x29, #-8]
    mov x1, #0
    stur    x1, [x29, #-8]
    stur    x0, [x29, #-32]
    ldr x9, [x9]
    stur    x9, [x29, #-24]
    ldr x1, [x8]
    sub x0, x29, #32            ; =32
    bl  _objc_msgSendSuper2
    mov x8, x0
    stur    x8, [x29, #-8]
    .loc    3 15 10 is_stmt 0       ; Runtime/Q&A/Safari.m:15:10
    ...

如果当前选择的是模拟器，生成的汇编代码是 x86 架构的。调用 super 方式为callq _objc_msgSendSuper2。

4.2 isKindOf: isMemberOf:

下面代码打印结果是什么？

        BOOL res1 = [[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];
        BOOL res2 = [[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];
        BOOL res3 = [[Safari class] isKindOfClass:[Safari class]];
        BOOL res4 = [[Safari class] isMemberOfClass:[Safari class]];
        
        NSLog(@"%i %i %i %i", res1, res2, res3, res4);

以下是isMemberOfClass:和isKindOfClass:区别：

• isMemberOfClass:判断当前实例对象、类对象的isa是否指向参数中的类、元类。
• isKindOfClass:判断当前实例对象、类对象的isa是否指向参数中的类、元类及其子类。

在上述方法中，如果调用者是实例对象，参数应为类对象；如果调用者是类对象，参数应为元类。

其源码如下：

+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return object_getClass((id)self) == cls;
}

- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return [self class] == cls;
}

+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = object_getClass((id)self); tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

可以看到，isMemberOf:只是比较消息接收者的isa是否指向参数的类。isKindOfClass:判断消息接收者的isa是否指向参数的类及其子类。

查看以下代码：

    Engineer *engineer = [[Engineer alloc] init];
    BOOL res5 = [engineer isKindOfClass:[NSObject class]];
    BOOL res6 = [engineer isMemberOfClass:[NSObject class]];
    BOOL res7 = [engineer isKindOfClass:[Engineer class]];
    BOOL res8 = [engineer isMemberOfClass:[Engineer class]];
    NSLog(@"%i %i %i %i", res5, res6, res7, res8);

打印结果是：

1 0 1 1

[NSObject class]是类对象，右侧参数应为元类，[Safari class]也一样。

由于类的isa指向元类，元类的基类是NSObject的元类，NSObject元类的父类指向NSObject自身。所以，NSObject是所有类、元类的父类。因此，以下代码输出：1 0 0 0。

    BOOL res1 = [[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];
    BOOL res2 = [[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];
    BOOL res3 = [[Safari class] isKindOfClass:[Safari class]];
    BOOL res4 = [[Safari class] isMemberOfClass:[Safari class]];
    NSLog(@"%i %i %i %i", res1, res2, res3, res4);

Demo名称：Runtime
源码地址：https://github.com/pro648/BasicDemos-iOS/tree/master/Runtime

参考资料：

1. Runtime Method Swizzling 实战
2. Method Swizzling
3. Associated Objects
4. Friday Q&A 2010-11-6: Creating Classes at Runtime in Objective-C
5. Digging Into the Objective-C Runtime

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