二、runtime之类和对象（二）

一、类与对象基础数据结构

1、Class

Objective-C类是由Class类型来表示的，它实际上是一个指向objc_class结构体的指针。它的定义如下：

typedef struct objc_class *Class;

objc_class在runtime.h定义如下：

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;// metaclass
#if !__OBJC2__
    Class super_class                                     OBJC2_UNAVAILABLE;// 父类
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;// 类名
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;// 类的版本信息，默认为0，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;// 方法地址列表，与 info 的一些标志位有关，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地址，用于提升效率；
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;// 存储该类声明遵守的协议的列表
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

• （1）、isa：需要注意的是在Objective-C中，所有的类自身也是一个对象，这个对象的Class里面也有一个isa指针，它指向metaClass(元类)，我们会在后面介绍它。
• （2）、super_class：指向该类的父类，如果该类已经是最顶层的根类(如NSObject或NSProxy)，则super_class为NULL。
• （3）、cache：用于缓存最近使用的方法。一个接收者对象接收到一个消息时，它会根据isa指针去查找能够响应这个消息的对象。在实际使用中，这个对象只有一部分方法是常用的，很多方法其实很少用或者根本用不上。这种情况下，如果每次消息来时，我们都是methodLists中遍历一遍，性能势必很差。这时，cache就派上用场了。在我们每次调用过一个方法后，这个方法就会被缓存到cache列表中，下次调用的时候runtime就会优先去cache中查找，如果cache没有，才去methodLists中查找方法。这样，对于那些经常用到的方法的调用，但提高了调用的效率。
• （4）、version：我们可以使用这个字段来提供类的版本信息。这对于对象的序列化非常有用，它可是让我们识别出不同类定义版本中实例变量布局的改变。

2、objc_object与id

objc_object是表示一个类的实例的结构体，它的定义如下(objc/objc.h)：

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

可以看到，这个结构体只有一个字体，即指向其类的isa指针。这样，当我们向一个Objective-C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及父类的方法列表中去寻找与消息对应的selector指向的方法。找到后即运行这个方法。

当创建一个特定类的实例对象时，分配的内存包含一个objc_object数据结构，然后是类的实例变量的数据。NSObject类的alloc和allocWithZone:方法使用函数class_createInstance来创建objc_object数据结构。

3、objc_cache

上面提到了objc_class结构体中的cache字段，它用于缓存调用过的方法。这个字段是一个指向objc_cache结构体的指针，其定义如下：

struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    unsigned int occupied                                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    Method buckets[1]                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
};
typedef struct objc_cache *Cache      OBJC2_UNAVAILABLE;

该结构体的字段描述如下：

• （1）、mask：一个整数，指定分配的缓存bucket的总数。在方法查找过程中，Objective-C runtime使用这个字段来确定开始线性查找数组的索引位置。指向方法selector的指针与该字段做一个AND位操作(index = (mask & selector))。这可以作为一个简单的hash散列算法。
• （2）、occupied：一个整数，指定实际占用的缓存bucket的总数。
• （3）、buckets：指向Method数据结构指针的数组。这个数组可能包含不超过mask+1个元素。需要注意的是，指针可能是NULL，表示这个缓存bucket没有被占用，另外被占用的bucket可能是不连续的。这个数组可能会随着时间而增长。

4、元类(Meta Class)

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)。如：

NSArray *array = [NSArray array];

二、类与对象操作函数

untime提供了大量的函数来操作类与对象。类的操作方法大部分是以class为前缀的，而对象的操作方法大部分是以objc或object_为前缀。下面我们将根据这些方法的用途来分类讨论这些方法的使用。

1、类相关操作函数

objc_class的定义，runtime提供的操作类的方法主要就是针对这个结构体中的各个字段的。

（1）、父类(super_class)和元类(meta-class)

父类和元类操作的函数主要有：

//获取类的父类
Class class_getSuperclass(Class cls);
//判断给定的Class是否是一个元类
BOOL class_isMetaClass(Class cls);

• ①、class_getSuperclass：当cls为Nil或者cls为根类时，返回Nil。不过通常我们可以使用NSObject类的superclass方法来达到同样的目的。
• ②、class_isMetaClass：如果是class是元类，则返回YES；如果否或者传入的class为Nil，则返回NO。

（2）、类名

类名操作的函数主要有：

// 获取类的类名
const char *class_getName(Class cls);

class_getName：如果传入的cls为Nil，则返回一个字字符串。

（3）、版本(version)

版本相关的操作包含以下函数：

// 获取版本号
int class_getVersion(Class cls);
// 设置版本号
void class_setVersion(Class cls, int version);

（4）、实例变量大小(instance_size)

实例变量大小操作的函数有：

// 获取实例大小
size_t class_getInstanceSize(Class cls);

（5）、成员变量(ivars)及属性

在objc_class中，所有的成员变量、属性的信息是放在链表ivars中的。ivars是一个数组，数组中每个元素是指向Ivar(变量信息)的指针。runtime提供了丰富的函数来操作这一字段。大体上可以分为以下几类：

• 成员变量操作函数，主要包含以下函数：

// 获取类中指定名称实例成员变量的信息
Ivar class_getInstanceVariable(Class cls, const char *name);
// 获取类成员变量的信息
Ivar class_getClassVariable(Class cls, const char *name);
// 添加成员变量
BOOL class_addIvar(Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types);
// 获取整个成员变量列表
Ivar *class_copyIvarList(Class cls, unsigned int *outCount);

①、class_getInstanceVariable：它返回一个指向包含name指定的成员变量信息的objc_ivar结构体的指针(Ivar)。
②、class_getClassVariable：一般认为Objective-C不支持类变量。注意，返回的列表不包含父类的成员变量和属性。
③、class_addIvar：Objective-C不支持往已存在的类中添加实例变量，因此不管是系统库提供的类，还是我们自定义的类，都无法动态添加成员变量。但如果我们通过运行时来创建一个类的话，又应该如何给它添加成员变量呢？这时我们就可以使用class_addIvar函数了。不过需要注意的是，这个方法只能在objc_allocateClassPair函数与objc_registerClassPair之间调用。另外，这个类也不能是元类。成员变量的按字节最小对齐量是1<< alignment。这取决于ivar的类型和机器的架构。如果变量的类型是指针类型，则传递log2(sizeof(pointer_type))。
④、class_copyIvarList：它返回一个指向成员变量信息的数组，数组中每个元素是指向该成员变量信息的objc_ivar结构体的指针。这个数组不包含在父类中声明的变量。outCount指针返回数组的大小。需要注意的是，我们必须使用free()来释放这个数组。

• 属性操作函数，主要包含以下函数：

// 获取指定的属性
objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name);
// 获取属性列表
objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount);
// 为类添加属性
BOOL class_addProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount);
// 替换类的属性
void class_replaceProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount);

（6）、方法(methodLists)

方法操作主要有以下函数：

// 添加方法
BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types) ;
// 获取实例方法
Method class_getInstanceMethod(Class cls, SEL name);
// 获取类方法
Method class_getClassMethod(Class cls, SEL name);
// 获取所有方法的数组
Method *class_copyMethodList(Class cls, unsigned int *outCount);
// 替代方法的实现
IMP class_replaceMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types);
// 返回方法的具体实现
IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL name);
IMP class_getMethodImplementation_stret(Class cls, SEL name);
// 类实例是否响应指定的selector
BOOL class_respondsToSelector(Class cls, SEL sel);

①、class_addMethod：该实现会覆盖父类的方法实现，但不会取代本类中已存在的实现，如果本类中包含一个同名的实现，则函数会返回NO。如果要修改已存在实现，可以使用method_setImplementation。一个Objective-C方法是一个简单的C函数，它至少包含两个参数—self和_cmd。所以，我们的实现函数(IMP参数指向的函数)至少需要两个参数，如下所示

void myMethodIMP(id self, SEL _cmd)
{
    // implementation ....
}

与成员变量不同的是，我们可以为类动态添加方法，不管这个类是否已存在。
另外，参数types是一个描述传递给方法的参数类型的字符数组；
②、class_getInstanceMethod、class_getClassMethod：与class_copyMethodList不同的是，这两个函数都会去搜索父类的实现。
③、class_copyMethodList：返回包含所有实例方法的数组，如果需要获取类方法，则可以使用class_copyMethodList(object_getClass(cls), &count)(一个类的实例方法是定义在元类里面)。该列表不包含父类实现的方法。outCount参数返回方法的个数。在获取到列表后，我们需要使用free()方法来释放它。
④、class_replaceMethod：该函数的行为可以分为两种：如果类中不存在name指定的方法，则类似于class_addMethod函数一样会添加方法；如果类中已存在name指定的方法，则类似于method_setImplementation一样替代原方法的实现。
⑤、getMethodImplementation：该函数在向类实例发送消息时会被调用，并返回一个指向方法实现函数的指针。这个函数会比method_getImplementation(class_getInstanceMethod(cls, name))更快。返回的函数指针可能是一个指向runtime内部的函数，而不一定是方法的实际实现。例如，如果类实例无法响应selector，则返回的函数指针将是运行时消息转发机制的一部分。
⑥、class_respondsToSelector：我们通常使用NSObject类的respondsToSelector:或instancesRespondToSelector:方法来达到相同目的。