【IOS 知识点】Runtime 二

• Runtime 简介
• Runtime消息传递
• Runtime消息转发
• Runtime应用

Runtime简介

Runtime 是一个用C、C++、汇编编写的运行时库，包含了很多 C 语言的 API，封装了很多动态性相关的函数；

Objective-C 是一门动态运行时语言，允许很多操作推迟到程序运行时再进行。OC的动态性就是由 Runtime 来支撑和实现的，Rumtime 就是它的核心；我们平时编写的OC代码，底层都是转换成了 Runtime API 进行调用。

编译时语言与动态运行时语言的区别？

• 编译时语言：在编译期进行函数决议；
• 动态运行时语言：将函数决议推迟到运行时。

Runtime消息传递

一个对象的方法像这样[obj foo]，编译器转成消息发送objc_msgSend(obj, foo)，Runtime时执行的流程是这样的：

• 首先，通过obj的isa指针找到它的 class ;
• 在 class 的 method list 找 foo ;
• 如果 class 中没到 foo，继续往它的 superclass 中找 ;
• 一旦找到 foo 这个函数，就去执行它的实现IMP 。

但这种实现有个问题，效率低。但一个class 往往只有 20% 的函数会被经常调用，可能占总调用次数的 80% 。每个消息都需要遍历一次objc_method_list 并不合理。如果把经常被调用的函数缓存下来，那可以大大提高函数查询的效率。这也就是objc_class 中另一个重要成员objc_cache 做的事情 - 再找到foo 之后，把foo 的method_name 作为key ，method_imp作为value 给存起来。当再次收到foo 消息的时候，可以直接在cache 里找到，避免去遍历objc_method_list。从前面的源代码可以看到objc_cache是存在objc_class 结构体中的。

objec_msgSend的方法定义如下：

OBJC_EXPORT id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)

那消息传递是怎么实现的呢？我们看看对象(object)，类(class)，方法(method)这几个的结构体：

//对象
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
//类
struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
//方法列表
struct objc_method_list {
    struct objc_method_list *obsolete                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    int method_count                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_method method_list[1]                        OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;
//方法
struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}

1. 系统首先找到消息的接收对象，然后通过对象的isa找到它的类。
2. 在它的类中查找method_list，是否有selector方法。
3. 没有则查找父类的method_list。
4. 找到对应的method，执行它的IMP。
5. 转发IMP的return值。

Runtime消息转发

前文介绍了进行一次发送消息会在相关的类对象中搜索方法列表，如果找不到则会沿着继承树向上一直搜索知道继承树根部（通常为NSObject），如果还是找不到并且消息转发都失败了就回执行doesNotRecognizeSelector:方法报unrecognized selector错。那么消息转发到底是什么呢？接下来将会逐一介绍最后的三次机会。

• 动态方法解析
• 备用接收者
• 完整消息转发

动态方法解析

首先，Objective-C运行时会调用 +resolveInstanceMethod:或者 +resolveClassMethod:，让你有机会提供一个函数实现。如果你添加了函数并返回YES， 那运行时系统就会重新启动一次消息发送的过程。

实现一个动态方法解析的例子如下：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    //执行foo函数
    [self performSelector:@selector(foo:)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(foo:)) {//如果是执行foo函数，就动态解析，指定新的IMP
        class_addMethod([self class], sel, (IMP)fooMethod, "v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

void fooMethod(id obj, SEL _cmd) {
    NSLog(@"Doing foo");//新的foo函数
}

打印结果：
2018-04-01 12:23:35.952670+0800 ocram[87546:23235469] Doing foo

可以看到虽然没有实现foo:这个函数，但是我们通过class_addMethod动态添加fooMethod函数，并执行fooMethod这个函数的IMP。从打印结果看，成功实现了。

如果resolve方法返回 NO ，运行时就会移到下一步：forwardingTargetForSelector。

备用接收者

如果目标对象实现了-forwardingTargetForSelector:，Runtime 这时就会调用这个方法，给你把这个消息转发给其他对象的机会。

实现一个备用接收者的例子如下：

#import "ViewController.h"
#import "objc/runtime.h"

@interface Person: NSObject

@end

@implementation Person

- (void)foo {
    NSLog(@"Doing foo");//Person的foo函数
}

@end

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    //执行foo函数
    [self performSelector:@selector(foo)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    return YES;//返回YES，进入下一步转发
}

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(foo)) {
        return [Person new];//返回Person对象，让Person对象接收这个消息
    }
    
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

@end

打印结果：
2018-04-01 12:45:04.757929+0800 ocram[88023:23260346] Doing foo

可以看到我们通过forwardingTargetForSelector把当前ViewController的方法转发给了Person去执行了。打印结果也证明我们成功实现了转发。

完整消息转发

如果在上一步还不能处理未知消息，则唯一能做的就是启用完整的消息转发机制了。
首先它会发送-methodSignatureForSelector:消息获得函数的参数和返回值类型。如果-methodSignatureForSelector:返回nil ，Runtime则会发出 -doesNotRecognizeSelector: 消息，程序这时也就挂掉了。如果返回了一个函数签名，Runtime就会创建一个NSInvocation 对象并发送 -forwardInvocation:消息给目标对象。

实现一个完整转发的例子如下：

#import "ViewController.h"
#import "objc/runtime.h"

@interface Person: NSObject

@end

@implementation Person

- (void)foo {
    NSLog(@"Doing foo");//Person的foo函数
}

@end

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    //执行foo函数
    [self performSelector:@selector(foo)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    return YES;//返回YES，进入下一步转发
}

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    return nil;//返回nil，进入下一步转发
}

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"foo"]) {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];//签名，进入forwardInvocation
    }
    
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    SEL sel = anInvocation.selector;

    Person *p = [Person new];
    if([p respondsToSelector:sel]) {
        [anInvocation invokeWithTarget:p];
    }
    else {
        [self doesNotRecognizeSelector:sel];
    }

}

@end

打印结果：
2018-04-01 13:00:45.423385+0800 ocram[88353:23279961] Doing foo

从打印结果来看，我们实现了完整的转发。通过签名，Runtime生成了一个对象anInvocation，发送给了forwardInvocation，我们在forwardInvocation方法里面让Person对象去执行了foo函数。签名参数v@:怎么解释呢，这里苹果文档Type Encodings有详细的解释。

以上就是Runtime的三次转发流程。下面我们讲讲Runtime的实际应用。

Runtime应用

Runtime简直就是做大型框架的利器。它的应用场景非常多，下面就介绍一些常见的应用场景。

• 关联对象(Objective-C Associated Objects)给分类增加属性
• 方法魔法(Method Swizzling)方法添加和替换和KVO实现
• 消息转发(热更新)解决Bug(JSPatch)
• 实现NSCoding的自动归档和自动解档
• 实现字典和模型的自动转换(MJExtension)

关联对象(Objective-C Associated Objects)给分类增加属性

我们都是知道分类是不能自定义属性和变量的。下面通过关联对象实现给分类添加属性。

关联对象Runtime提供了下面几个接口：

//关联对象
void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
//获取关联的对象
id objc_getAssociatedObject(id object, const void *key)
//移除关联的对象
void objc_removeAssociatedObjects(id object)

参数解释

id object：被关联的对象
const void *key：关联的key，要求唯一
id value：关联的对象
objc_AssociationPolicy policy：内存管理的策略

内存管理的策略

typedef OBJC_ENUM(uintptr_t, objc_AssociationPolicy) {
    OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN = 0,           /**< Specifies a weak reference to the associated object. */
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC = 1, /**< Specifies a strong reference to the associated object. 
                                            *   The association is not made atomically. */
    OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC = 3,   /**< Specifies that the associated object is copied. 
                                            *   The association is not made atomically. */
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN = 01401,       /**< Specifies a strong reference to the associated object.
                                            *   The association is made atomically. */
    OBJC_ASSOCIATION_COPY = 01403          /**< Specifies that the associated object is copied.
                                            *   The association is made atomically. */
};

下面实现一个UIView的Category添加自定义属性defaultColor。

#import "ViewController.h"
#import "objc/runtime.h"

@interface UIView (DefaultColor)

@property (nonatomic, strong) UIColor *defaultColor;

@end

@implementation UIView (DefaultColor)

@dynamic defaultColor;

static char kDefaultColorKey;

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

- (id)defaultColor {
    return objc_getAssociatedObject(self, &kDefaultColorKey);
}

@end

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    
    UIView *test = [UIView new];
    test.defaultColor = [UIColor blackColor];
    NSLog(@"%@", test.defaultColor);
}

@end

打印结果：
2018-04-01 15:41:44.977732+0800 ocram[2053:63739] UIExtendedGrayColorSpace 0 1

打印结果来看，我们成功在分类上添加了一个属性，实现了它的setter和getter方法。
通过关联对象实现的属性的内存管理也是有ARC管理的，所以我们只需要给定适当的内存策略就行了，不需要操心对象的释放。

我们看看内存测量对于的属性修饰。

内存策略	属性修饰	描述
OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN	@property (assign) 或 @property (unsafe_unretained)	指定一个关联对象的弱引用。
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC	@property (nonatomic, strong)	@property (nonatomic, strong) 指定一个关联对象的强引用，不能被原子化使用。
OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC	@property (nonatomic, copy)	指定一个关联对象的copy引用，不能被原子化使用。
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN	@property (atomic, strong)	指定一个关联对象的强引用，能被原子化使用。
OBJC_ASSOCIATION_COPY	@property (atomic, copy)	指定一个关联对象的copy引用，能被原子化使用。

方法魔法(Method Swizzling)方法添加和替换和KVO实现

方法添加

实际上添加方法刚才在讲消息转发的时候，动态方法解析的时候就提到了。

//class_addMethod(Class  _Nullable __unsafe_unretained cls, SEL  _Nonnull name, IMP  _Nonnull imp, const char * _Nullable types)
class_addMethod([self class], sel, (IMP)fooMethod, "v@:");

• cls 被添加方法的类
• name 添加的方法的名称的SEL
• imp 方法的实现。该函数必须至少要有两个参数，self,_cmd
• 类型编码

方法替换

下面实现一个替换ViewController的viewDidLoad方法的例子。

@implementation ViewController

+ (void)load {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        Class class = [self class];
        SEL originalSelector = @selector(viewDidLoad);
        SEL swizzledSelector = @selector(jkviewDidLoad);
        
        Method originalMethod = class_getInstanceMethod(class,originalSelector);
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(class,swizzledSelector);
        
        //judge the method named  swizzledMethod is already existed.
        BOOL didAddMethod = class_addMethod(class, originalSelector, method_getImplementation(swizzledMethod), method_getTypeEncoding(swizzledMethod));
        // if swizzledMethod is already existed.
        if (didAddMethod) {
            class_replaceMethod(class, swizzledSelector, method_getImplementation(originalMethod), method_getTypeEncoding(originalMethod));
        }
        else {
            method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
        }
    });
}

- (void)jkviewDidLoad {
    NSLog(@"替换的方法");
    
    [self jkviewDidLoad];
}

- (void)viewDidLoad {
    NSLog(@"自带的方法");
    
    [super viewDidLoad];
}

@end

swizzling应该只在+load中完成。 在 Objective-C 的运行时中，每个类有两个方法都会自动调用。+load 是在一个类被初始装载时调用，+initialize 是在应用第一次调用该类的类方法或实例方法前调用的。两个方法都是可选的，并且只有在方法被实现的情况下才会被调用。

swizzling应该只在dispatch_once 中完成,由于swizzling 改变了全局的状态，所以我们需要确保每个预防措施在运行时都是可用的。原子操作就是这样一个用于确保代码只会被执行一次的预防措施，就算是在不同的线程中也能确保代码只执行一次。Grand Central Dispatch 的 dispatch_once满足了所需要的需求，并且应该被当做使用swizzling 的初始化单例方法的标准。

实现图解如下图。

从图中可以看出，我们通过swizzling特性，将selectorC的方法实现IMPc与selectorN的方法实现IMPn交换了，当我们调用selectorC，也就是给对象发送selectorC消息时，所查找到的对应的方法实现就是IMPn而不是IMPc了。

KVO实现

全称是Key-value observing，翻译成键值观察。提供了一种当其它对象属性被修改的时候能通知当前对象的机制。再MVC大行其道的Cocoa中，KVO机制很适合实现model和controller类之间的通讯。

KVO的实现依赖于 Objective-C 强大的 Runtime，当观察某对象 A 时，KVO 机制动态创建一个对象A当前类的子类，并为这个新的子类重写了被观察属性 keyPath 的 setter 方法。setter 方法随后负责通知观察对象属性的改变状况。

Apple 使用了 isa-swizzling 来实现 KVO 。当观察对象A时，KVO机制动态创建一个新的名为：NSKVONotifying_A的新类，该类继承自对象A的本类，且 KVO 为 NSKVONotifying_A 重写观察属性的 setter 方法，setter 方法会负责在调用原 setter 方法之前和之后，通知所有观察对象属性值的更改情况。

• NSKVONotifying_A 类剖析

NSLog(@"self->isa:%@",self->isa);  
NSLog(@"self class:%@",[self class]);  

在建立KVO监听前，打印结果为：

self->isa:A
self class:A

在建立KVO监听之后，打印结果为：

self->isa:NSKVONotifying_A
self class:A

在这个过程，被观察对象的 isa 指针从指向原来的 A 类，被KVO 机制修改为指向系统新创建的子类NSKVONotifying_A 类，来实现当前类属性值改变的监听；
所以当我们从应用层面上看来，完全没有意识到有新的类出现，这是系统“隐瞒”了对 KVO 的底层实现过程，让我们误以为还是原来的类。但是此时如果我们创建一个新的名为“NSKVONotifying_A”的类，就会发现系统运行到注册 KVO 的那段代码时程序就崩溃，因为系统在注册监听的时候动态创建了名为 NSKVONotifying_A 的中间类，并指向这个中间类了。

• 子类setter方法剖析

KVO 的键值观察通知依赖于 NSObject 的两个方法:willChangeValueForKey:和 didChangeValueForKey: ，在存取数值的前后分别调用 2 个方法：
被观察属性发生改变之前，willChangeValueForKey:被调用，通知系统该 keyPath 的属性值即将变更；
当改变发生后， didChangeValueForKey: 被调用，通知系统该keyPath 的属性值已经变更；之后， observeValueForKey:ofObject:change:context:也会被调用。且重写观察属性的setter 方法这种继承方式的注入是在运行时而不是编译时实现的。

KVO 为子类的观察者属性重写调用存取方法的工作原理在代码中相当于：

- (void)setName:(NSString *)newName { 
      [self willChangeValueForKey:@"name"];    //KVO 在调用存取方法之前总调用 
      [super setValue:newName forKey:@"name"]; //调用父类的存取方法 
      [self didChangeValueForKey:@"name"];     //KVO 在调用存取方法之后总调用
}

消息转发(热更新)解决Bug(JSPatch)

JSPatch 是一个 iOS 动态更新框架，只需在项目中引入极小的引擎，就可以使用 JavaScript 调用任何 Objective-C 原生接口，获得脚本语言的优势：为项目动态添加模块，或替换项目原生代码动态修复 bug。

关于消息转发，前面已经讲到过了，消息转发分为三级，我们可以在每级实现替换功能，实现消息转发，从而不会造成崩溃。JSPatch不仅能够实现消息转发，还可以实现方法添加、替换能一系列功能。

实现NSCoding的自动归档和自动解档

原理描述：用runtime提供的函数遍历Model自身所有属性，并对属性进行encode和decode操作。
核心方法：在Model的基类中重写方法：

- (id)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder {
    if (self = [super init]) {
        unsigned int outCount;
        Ivar * ivars = class_copyIvarList([self class], &outCount);
        for (int i = 0; i < outCount; i ++) {
            Ivar ivar = ivars[i];
            NSString * key = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
            [self setValue:[aDecoder decodeObjectForKey:key] forKey:key];
        }
    }
    return self;
}

- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder {
    unsigned int outCount;
    Ivar * ivars = class_copyIvarList([self class], &outCount);
    for (int i = 0; i < outCount; i ++) {
        Ivar ivar = ivars[i];
        NSString * key = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
        [aCoder encodeObject:[self valueForKey:key] forKey:key];
    }
}

实现字典和模型的自动转换(MJExtension)

原理描述：用runtime提供的函数遍历Model自身所有属性，如果属性在json中有对应的值，则将其赋值。
核心方法：在NSObject的分类中添加方法

- (instancetype)initWithDict:(NSDictionary *)dict {

    if (self = [self init]) {
        //(1)获取类的属性及属性对应的类型
        NSMutableArray * keys = [NSMutableArray array];
        NSMutableArray * attributes = [NSMutableArray array];
        /*
         * 例子
         * name = value3 attribute = T@"NSString",C,N,V_value3
         * name = value4 attribute = T^i,N,V_value4
         */
        unsigned int outCount;
        objc_property_t * properties = class_copyPropertyList([self class], &outCount);
        for (int i = 0; i < outCount; i ++) {
            objc_property_t property = properties[i];
            //通过property_getName函数获得属性的名字
            NSString * propertyName = [NSString stringWithCString:property_getName(property) encoding:NSUTF8StringEncoding];
            [keys addObject:propertyName];
            //通过property_getAttributes函数可以获得属性的名字和@encode编码
            NSString * propertyAttribute = [NSString stringWithCString:property_getAttributes(property) encoding:NSUTF8StringEncoding];
            [attributes addObject:propertyAttribute];
        }
        //立即释放properties指向的内存
        free(properties);

        //(2)根据类型给属性赋值
        for (NSString * key in keys) {
            if ([dict valueForKey:key] == nil) continue;
            [self setValue:[dict valueForKey:key] forKey:key];
        }
    }
    return self;

}

以上就是Runtime应用的一些场景，本文到此结束了。