Objective-C Runtime 一小时入门教程(上)

Objective-C Runtime 一小时入门教程(上)

一、前言

如果你没有Objective-C基础，请学习了基础的iOS开发再来，这个1小时是给有一定iOS基础的童鞋的。如果你是大牛或者你感觉Objective-C Runtime太简单不用1小时学习的，也请您绕道，这或许只是我的私人笔记了。

请跟着教程“一步步来”，请不要大概地扫两眼就说看不懂——以这种态度写成什么样你也看不懂。这是1小时入门教程，请不要试图在1分钟内入门！

二、本文目标

1小时让你知道什么是Objective-C Runtime，并对它有一定的基本了解，可以在开发过程中运用自如。

三、Objective-C Runtime到底是什么东西？

简而言之，Objective-C Runtime是一个将C语言转化为面向对象语言的扩展。

我们将C++和Objective进行对比，虽然C++和Objective-C都是在C的基础上加入面向对象的特性扩充而成的程序设计语言，但二者实现的机制差异很大。C++是基于静态类型，而Objective-C是基于动态运行时类型。也就是说用C++编写的程序编译时就直接编译成了可令机器读懂的机器语言；用Objective-C编写的程序不能直接编译成可令机器读懂的机器语言，而是在程序运行的时候，通过Runtime把程序转为可令机器读懂的机器语言。Runtime是Objective不可缺少的重要一部分。

四、Objective-C的元素认知

4.1 id和Class

打开/Public Headers/objc.h文件可以看到如下定义：

#if !OBJC_TYPES_DEFINED

/// An opaque type that represents an Objective-C class.

typedef struct objc_class *Class;

 

/// Represents an instance of a class.

struct objc_object {

    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

};

 

/// A pointer to an instance of a class.

typedef struct objc_object *id;

#endif

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就是我们所说的对象，Class就是我们所说的类。

打开/Public Headers/runtime.h文件

objc_class的定义如下：

typedef struct objc_class *Class;

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

}

/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

由以上代码可见，类与对象的区别就是类比对象多了很多特征成员，类也可以当做一个objc_object来对待，也就是说类和对象都是对象，分别称作类对象（class object）和实例对象（instance object），这样我们就可以区别对象和类了。

isa：objc_object（实例对象）中isa指针指向的类结构称为class（也就是该对象所属的类）其中存放着普通成员变量与动态方法（“-”开头的方法）；此处isa指针指向的类结构称为metaclass，其中存放着static类型的成员变量与static类型的方法（“+”开头的方法）。

super_class： 指向该类的父类的指针，如果该类是根类（如NSObject或NSProxy），那么super_class就为nil。

类与对象的继承层次关系如图（图片源自网络）：

所有的metaclass中isa指针都是指向根metaclass，而根metaclass则指向自身。根metaclass是通过继承根类产生的，与根class结构体成员一致，不同的是根metaclass的isa指针指向自身。

4.2 SEL

SEL是selector在Objective-C中的表示类型。selector可以理解为区别方法的ID。

typedef struct objc_selector *SEL;

objc_selector的定义如下：

struct objc_selector {

    char *name;                       OBJC2_UNAVAILABLE;// 名称

    char *types;                      OBJC2_UNAVAILABLE;// 类型

};

name和types都是char类型。

4.3 IMP

终于到IMP了，它在objc.h中得定义如下：

typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);

IMP是“implementation”的缩写，它是由编译器生成的一个函数指针。当你发起一个消息后（下文介绍），这个函数指针决定了最终执行哪段代码。

4.4 Method

Method代表类中的某个方法的类型。

typedef struct objc_method *Method;

objc_method的定义如下：

struct objc_method {

    SEL method_name                   OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法名

    char *method_types                OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法类型

    IMP method_imp                    OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法实现

}

方法名method_name类型为SEL，上文提到过。

方法类型method_types是一个char指针，存储着方法的参数类型和返回值类型。

方法实现method_imp的类型为IMP，上文提到过。

4.5 Ivar

Ivar代表类中实例变量的类型

typedef struct objc_ivar *Ivar;

objc_ivar的定义如下：

struct objc_ivar {

    char *ivar_name                   OBJC2_UNAVAILABLE; // 变量名

    char *ivar_type                   OBJC2_UNAVAILABLE; // 变量类型

    int ivar_offset                   OBJC2_UNAVAILABLE; // 基地址偏移字节

#ifdef __LP64__

    int space                         OBJC2_UNAVAILABLE; // 占用空间

#endif

}

4.6 objc_property_t

objc_property_t是属性，它的定义如下：

typedef struct objc_property *objc_property_t;

objc_property是内置的类型，与之关联的还有一个objc_property_attribute_t，它是属性的attribute，也就是其实是对属性的详细描述，包括属性名称、属性编码类型、原子类型/非原子类型等。它的定义如下：

typedef struct {

    const char *name; // 名称

    const char *value;  // 值（通常是空的）

} objc_property_attribute_t;

4.7 Cache

Catch的定义如下：

typedef struct objc_cache *Cache

objc_cache的定义如下：

struct objc_cache {

    unsigned int mask                   OBJC2_UNAVAILABLE;

    unsigned int occupied               OBJC2_UNAVAILABLE;

    Method buckets[1]                   OBJC2_UNAVAILABLE;

};

mask: 指定分配cache buckets的总数。在方法查找中，Runtime使用这个字段确定数组的索引位置。

occupied: 实际占用cache buckets的总数。

buckets: 指定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。

objc_msgSend（下文讲解）每调用一次方法后，就会把该方法缓存到cache列表中，下次的时候，就直接优先从cache列表中寻找，如果cache没有，才从methodLists中查找方法。

4.8 Catagory

这个就是我们平时所说的类别了，很熟悉吧。它可以动态的为已存在的类添加新的方法。

它的定义如下：

typedef struct objc_category *Category;

objc_category的定义如下：

struct objc_category {

    char *category_name                           OBJC2_UNAVAILABLE; // 类别名称

    char *class_name                              OBJC2_UNAVAILABLE; // 类名

    struct objc_method_list *instance_methods     OBJC2_UNAVAILABLE; // 实例方法列表

    struct objc_method_list *class_methods        OBJC2_UNAVAILABLE; // 类方法列表

    struct objc_protocol_list *protocols          OBJC2_UNAVAILABLE; // 协议列表

}

因为是入门，以上就列举这些吧！

五、Objective-C的消息传递

5.1 基本消息传递

在面向对象编程中，对象调用方法叫做发送消息。在编译时，程序的源代码就会从对象发送消息转换成Runtime的objc_msgSend函数调用。

例如某实例变量receiver实现某一个方法oneMethod

[receiver oneMethod];

Runtime会将其转成类似这样的代码

objc_msgSend(receiver, selector);

具体会转换成什么代码呢？

Runtime会根据类型自动转换成下列某一个函数：

objc_msgSend:普通的消息都会通过该函数发送

objc_msgSend_stret:消息中有数据结构作为返回值（不是简单值）时，通过此函数发送和接收返回值

objc_msgSendSuper:和objc_msgSend类似，这里把消息发送给父类的实例

objc_msgSendSuper_stret:和objc_msgSend_stret类似，这里把消息发送给父类的实例并接收返回值

当消息被发送到实例对象时，是如图所示处理的（图片源自网络）：

objc_msgSend函数的调用过程：

• 第一步：检测这个selector是不是要忽略的。

• 第二步：检测这个target是不是nil对象。nil对象发送任何一个消息都会被忽略掉。

• 第三步：
  
  

• 1.调用实例方法时，它会首先在自身isa指针指向的类（class）methodLists中查找该方法，如果找不到则会通过class的super_class指针找到父类的类对象结构体，然后从methodLists中查找该方法，如果仍然找不到，则继续通过super_class向上一级父类结构体中查找，直至根class；
  
  

• 2.当我们调用某个某个类方法时，它会首先通过自己的isa指针找到metaclass，并从其中methodLists中查找该类方法，如果找不到则会通过metaclass的super_class指针找到父类的metaclass对象结构体，然后从methodLists中查找该方法，如果仍然找不到，则继续通过super_class向上一级父类结构体中查找，直至根metaclass；
  
  

• 第四部：前三部都找不到就会进入动态方法解析(看下文)。

5.2 消息动态解析

动态解析流程图（图片来自网络）：

请参照图片品味以下步骤（实例请看下文《6.6 苍老师的唱歌篇》）：

• 第一步：通过resolveInstanceMethod：方法决定是否动态添加方法。如果返回Yes则通过class_addMethod动态添加方法，消息得到处理，结束；如果返回No，则进入下一步；
  
  

• 第二步：这步会进入forwardingTargetForSelector:方法，用于指定备选对象响应这个selector，不能指定为self。如果返回某个对象则会调用对象的方法，结束。如果返回nil，则进入第三部；
  
  

• 第三部：这步我们要通过methodSignatureForSelector:方法签名，如果返回nil，则消息无法处理。如果返回methodSignature，则进入下一步；
  
  

• 第四部：这步调用forwardInvocation：方法，我们可以通过anInvocation对象做很多处理，比如修改实现方法，修改响应对象等，如果方法调用成功，则结束。如果失败，则进入doesNotRecognizeSelector方法，若我们没有实现这个方法，那么就会crash。

到这里大家可能晕乎乎的，下面看实战篇吧！苍老师必须让你懂！

六、Runtime实战

请大家放心，以下所有实战篇，在最后都会分享Demo给大家！

6.1 苍老师问好篇

苍老师见到我们广大的粉丝们，第一反应当然是：大家好！

#if TARGET_IPHONE_SIMULATOR

#import <objc/objc-runtime.h>

#else

#import <objc/runtime.h>

#import <objc/message.h>

#endif

 

// 自定义一个方法

void sayFunction(id self, SEL _cmd, id some) {

    NSLog(@"%@岁的%@说：%@", object_getIvar(self, class_getInstanceVariable([self class], "_age")),[self valueForKey:@"name"],some);

}

int main(int argc, const char * argv[]) {

    @autoreleasepool {

 

        // 动态创建对象 创建一个Person 继承自 NSObject类

        Class People = objc_allocateClassPair([NSObject class], "Person", 0);

 

        // 为该类添加NSString *_name成员变量

        class_addIvar(People, "_name", sizeof(NSString*), log2(sizeof(NSString*)), @encode(NSString*));

        // 为该类添加int _age成员变量

        class_addIvar(People, "_age", sizeof(int), sizeof(int), @encode(int));

 

        // 注册方法名为say的方法

        SEL s = sel_registerName("say:");

        // 为该类增加名为say的方法

        class_addMethod(People, s, (IMP)sayFunction, "v@:@");

 

        // 注册该类

        objc_registerClassPair(People);

 

        // 创建一个类的实例

        id peopleInstance = [[People alloc] init];

 

        // KVC 动态改变 对象peopleInstance 中的实例变量

        [peopleInstance setValue:@"苍老师" forKey:@"name"];

 

        // 从类中获取成员变量Ivar

        Ivar ageIvar = class_getInstanceVariable(People, "_age");

        // 为peopleInstance的成员变量赋值

        object_setIvar(peopleInstance, ageIvar, @18);

 

        // 调用 peopleInstance 对象中的 s 方法选择器对于的方法

        // objc_msgSend(peopleInstance, s, @"大家好!"); // 这样写也可以，请看我博客说明

        ((void (*)(id, SEL, id))objc_msgSend)(peopleInstance, s, @"大家好");

 

        peopleInstance = nil; //当People类或者它的子类的实例还存在，则不能调用objc_disposeClassPair这个方法；因此这里要先销毁实例对象后才能销毁类；

 

        // 销毁类

        objc_disposeClassPair(People);

 

    }

    return 0;

}

最后的结果是：18岁的苍老师说：大家好！

在使用

objc_msgSend(peopleInstance, s, @"大家好!");

默认会出现以下错误：

objc_msgSend()报错Too many arguments to function call ,expected 0,have3

直接通过objc_msgSend(self, setter, value)是报错，说参数过多。

请这样解决：

Build Setting–> Apple LLVM 7.0 – Preprocessing–> Enable Strict Checking of objc_msgSend Calls 改为 NO

当然你也可以这样写(推荐)：

((void (*)(id, SEL, id))objc_msgSend)(peopleInstance, s, @"大家好");

强制转换objc_msgSend函数类型为带三个参数且返回值为void函数，然后才能传三个参数。

此实战内容是，动态创建一个类，并创建成员变量和方法，最后赋值成员变量并发送消息。其中成员变量的赋值使用了KVC和object_setIvar函数两种方式，这些东西大家举一反三就可以了。