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;
#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
 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):

Objective-C Runtime 一小时入门教程(上)_第1张图片

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:

(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):

Objective-C Runtime 一小时入门教程(上)_第2张图片

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):
Objective-C Runtime 一小时入门教程(上)_第3张图片

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。

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