Objective-C Runtime 一小时入门教程(上)
来源：ian（@ianisme）
链接：http://www.ianisme.com/ios/2019.html
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;
#endifClass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
long info OBJC2_UNAVAILABLE; // 类信息
//该类的实例变量大小（包括从父类继承下来的实例变量）
long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE;
//该类的成员变量地址列表
struct objc_ivar_list *ivars 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_method_list **methodLists OBJC2_UNAVAILABLE;
// 缓存最近使用的方法地址，用于提升效率；
struct objc_cache *cache OBJC2_UNAVAILABLE;
// 存储该类声明遵守的协议的列表
struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE;
#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 *Cacheobjc_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：
(1)objc_msgSend:普通的消息都会通过该函数发送
(2)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
(3)objc_msgSendSuper:和objc_msgSend类似，这里把消息发送给父类的实例
(4)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：
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；
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；
第四步：前三步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：
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 代码实战
#import <Foundation/Foundation.h>
#if TARGET_IPHONE_SIMULATOR
#import <objc/objc-runtime.h>
#else
#import <objc/runtime.h>
#import <objc/message.h>
#endif
//自定义一个C语言方法
void sayFunction(id self, SEL _cmd, id param)
{
NSLog(@"永远%@岁的%@说：%@", object_getIvar(self, class_getInstanceVariable([self class], "_age")), [self valueForKey:@"name"], param);
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
//动态创建一个类,其继承自NSObject
Class Person = objc_allocateClassPair([NSObject class], "Person", 0);
//为该类添加NSString *_name成员变量
class_addIvar(Person, "_name", sizeof(NSString *), log2(sizeof(NSString *)), @encode(NSString*));
//为该类添加int _age成员变量
class_addIvar(Person, "_age", sizeof(int), sizeof(int), @encode(int));
//注册方法名为say的方法
SEL say = sel_registerName("say:");
//为该类增加名为say的方法
class_addMethod(Person, say, (IMP)sayFunction, "v@:@");
//注册该类
objc_registerClassPair(Person);
//创建一个该类的实例
id personInstance = [[Person alloc] init];
//KVC动态改变对象实例中的属性
[personInstance setValue:@"小松子" forKey:@"name"];
//从类中获取成员变量
Ivar ageIvar = class_getInstanceVariable(Person, "_age");
//为成员变量赋值
object_setIvar(personInstance, ageIvar, @16);
//调用实例对象中的say方法选择器
((void (*)(id, SEL, id))objc_msgSend)(personInstance, say, @"我是可爱迷人的小松子~");
//当Person类或者其子类实例还存在时，则不能销毁类
personInstance = nil;
//销毁类
objc_disposeClassPair(Person);
}
return 0;
}最后的结果是：
2016-03-05 12:43:01.024 RuntimeDemon[22441:3062273] 永远16岁的小松子说：我是可爱迷人的小松子~再使用
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”);
说明：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。