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Runtime知识点

Adrenine  · 掘金  ·  · 2017-12-13 08:47

正文

###Runtime是什么

Runtime 又叫运行时，是一套底层的 C 语言 API，其为 iOS 内部的核心之一，我们平时编写的 OC 代码，底层都是基于它来实现的。比如： 

[receiver message];
// 底层运行时会被编译器转化为：
objc_msgSend(receiver, selector)
// 如果其还有参数比如：
[receiver message:(id)arg...];
// 底层运行时会被编译器转化为：
objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)

###为什么需要Runtime

Objective-C 是一门动态语言，它会将一些工作放在代码运行时才处理而并非编译时。也就是说，有很多类和成员变量在我们编译的时是不知道的，而在运行时，我们所编写的代码会转换成完整的确定的代码运行。

因此，编译器是不够的，我们还需要一个运行时系统(Runtime system)来处理编译后的代码。

Runtime 基本是用 C 和汇编写的，由此可见苹果为了动态系统的高效而做出的努力。苹果和 GNU 各自维护一个开源的 Runtime 版本，这两个版本之间都在努力保持一致。

###Runtime 的作用

OC 在三种层面上与 Runtime 系统进行交互：

####1.通过 Objective-C 源代码 只需要编写 OC 代码，Runtime 系统自动在幕后搞定一切，调用方法，编译器会将 OC 代码转换成运行时代码，在运行时确定数据结构和函数。

####2.通过 Foundation 框架的 NSObject 类定义的方法 Cocoa 程序中绝大部分类都是 NSObject 类的子类，所以都继承了 NSObject 的行为。(NSProxy 类时个例外，它是个抽象超类) 一些情况下，NSObject 类仅仅定义了完成某件事情的模板，并没有提供所需要的代码。例如 - description方法，该方法返回类内容的字符串表示，该方法主要用来调试程序。NSObject类并不知道子类的内容，所以它只是返回类的名字和对象的地址，NSObject的子类可以重新实现。 还有一些NSObject的方法可以从Runtime系统中获取信息，允许对象进行自我检查。例如：

  • class方法返回对象的类；
  • isKindOfClass: 和 -isMemberOfClass: 方法检查对象是否存在于指定的类的继承体系中(是否是其子类或者父类和是否是当前类的成员变量)；
  • respondsToSelector: 检查对象能否响应指定的消息；
  • conformsToProtocol:检查对象是否实现了指定协议类的方法；
  • methodForSelector: 返回指定方法实现的地址。

####3.通过对 Runtime 库函数的直接调用

Runtime 系统是具有公共接口的动态共享库。头文件存放于/usr/include/objc目录下，这意味着我们使用时只需要引入objc/Runtime.h头文件即可。 许多函数可以让你使用纯 C 代码来实现 Objc 中同样的功能。除非是写一些 Objc 与其他语言的桥接或是底层的 debug 工作，你在写 Objc 代码时一般不会用到这些 C 语言函数。 Runtime的相关术语

#####1). SEL 它是selector在 Objc 中的表示(Swift 中是 Selector 类)。selector 是方法选择器，其实作用就和名字一样，日常生活中，我们通过人名辨别谁是谁，**注意 Objc 在相同的类中不会有命名相同的两个方法。**selector 对方法名进行包装，以便找到对应的方法实现。它的数据结构是： typedef struct objc_selector *SEL; 我们可以看出它是个映射到方法的 C 字符串，你可以通过 Objc 编译器器命令@selector() 或者 Runtime 系统的 sel_registerName 函数来获取一个 SEL 类型的方法选择器。 注意：不同类中相同名字的方法所对应的 selector 是相同的，由于变量的类型不同，所以不会导致它们调用方法实现混乱。

#####2). id id 是一个参数类型，它是指向某个类的实例的指针。定义如下： 

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

以上定义，看到 objc_object 结构体包含一个 isa 指针，根据 isa 指针就可以找到对象所属的类。 注意：isa 指针在代码运行时并不总指向实例对象所属的类型，所以不能依靠它来确定类型，要想确定类型还是需要用对象的 -class 方法。PS:KVO 的实现机理就是将被观察对象的 isa 指针指向一个中间类而不是真实类型。

#####3). Class 

typedef struct objc_class *Class;

Class 其实是指向 objc_class 结构体的指针。objc_class 的数据结构如下： 

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;

从 objc_class 可以看到，一个运行时类中关联了它的父类指针、类名、成员变量、方法、缓存以及附属的协议。

其中 objc_ivar_list 和 objc_method_list 分别是成员变量列表和方法列表： 

// 成员变量列表
struct objc_ivar_list {
    int ivar_count                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_ivar ivar_list[1]                            OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            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;
}

由此可见，我们可以动态修改 *methodList 的值来添加成员方法，这也是 Category 实现的原理，同样解释了 Category 不能添加属性的原因。

objc_ivar_list 结构体用来存储成员变量的列表，而 objc_ivar 则是存储了单个成员变量的信息；同理，objc_method_list 结构体存储着方法数组的列表，而单个方法的信息则由 objc_method 结构体存储。

值得注意的时，objc_class 中也有一个 isa 指针，这说明 Objc 类本身也是一个对象。为了处理类和对象的关系，Runtime 库创建了一种叫做 Meta Class(元类) 的东西，类对象所属的类就叫做元类。Meta Class 表述了类对象本身所具备的元数据。

我们所熟悉的类方法，就源自于 Meta Class。我们可以理解为类方法就是类对象的实例方法。每个类仅有一个类对象，而每个类对象仅有一个与之相关的元类。

当你发出一个类似 NSObject alloc 的消息时，实际上，这个消息被发送给了一个类对象(Class Object)，这个类对象必须是一个元类的实例，而这个元类同时也是一个根元类(Root Meta Class)的实例。所有元类的 isa 指针最终都指向根元类。

所以当 [NSObject alloc] 这条消息发送给类对象的时候，运行时代码 objc_msgSend() 会去它元类中查找能够响应消息的方法实现，如果找到了，就会对这个类对象执行方法调用。

最后 objc_class 中还有一个 objc_cache ，缓存，它的作用很重要，后面会提到。

#####4). Method Method 代表类中某个方法的类型 

typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}

objc_method 存储了方法名，方法类型和方法实现：

方法名类型为 SEL 方法类型 method_types 是个 char 指针，存储方法的参数类型和返回值类型 method_imp 指向了方法的实现，本质是一个函数指针 Ivar Ivar 是表示成员变量的类型。 

typedef struct objc_ivar *Ivar;
struct objc_ivar {
    char *ivar_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *ivar_type                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    int ivar_offset                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}

其中 ivar_offset 是基地址偏移字节

#####5). IMP IMP在objc.h中的定义是： 

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

它就是一个函数指针，这是由编译器生成的。当你发起一个 ObjC 消息之后，最终它会执行的那段代码，就是由这个函数指针指定的。而 IMP 这个函数指针就指向了这个方法的实现。

如果得到了执行某个实例某个方法的入口，我们就可以绕开消息传递阶段，直接执行方法，这在后面 Cache 中会提到。

你会发现 IMP 指向的方法与 objc_msgSend 函数类型相同，参数都包含 id 和 SEL 类型。每个方法名都对应一个 SEL 类型的方法选择器，而每个实例对象中的 SEL 对应的方法实现肯定是唯一的，通过一组 id和 SEL 参数就能确定唯一的方法实现地址。

而一个确定的方法也只有唯一的一组 id 和 SEL 参数。

#####6). Cache Cache 定义如下： 

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

Cache 为方法调用的性能进行优化，每当实例对象接收到一个消息时，它不会直接在 isa 指针指向的类的方法列表中遍历查找能够响应的方法，因为每次都要查找效率太低了，而是优先在 Cache 中查找。

Runtime 系统会把被调用的方法存到 Cache 中，如果一个方法被调用，那么它有可能今后还会被调用，下次查找的时候就会效率更高。就像计算机组成原理中 CPU 绕过主存先访问 Cache 一样。

#####7). Property 

typedef struct objc_property *Property;
typedef struct objc_property *objc_property_t;//这个更常用

可以通过class_copyPropertyList 和 protocol_copyPropertyList 方法获取类和协议中的属性： 

objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount)
objc_property_t *protocol_copyPropertyList(Protocol *proto, unsigned int *outCount)

注意： 返回的是属性列表，列表中每个元素都是一个 objc_property_t 指针 

#import <Foundation/Foundation.h>
@interface Person : NSObject
/** 姓名 */
@property (strong, nonatomic) NSString *name;
/** age */
@property (assign, nonatomic) int age;
/** weight */
@property (assign, nonatomic) double weight;
@end

以上是一个 Person 类，有3个属性。让我们用上述方法获取类的运行时属性。 

    unsigned int outCount = 0;

    objc_property_t *properties = class_copyPropertyList([Person class], &outCount);

    NSLog(@"%d", outCount);

    for (NSInteger i = 0; i < outCount; i++) {
        NSString *name = @(property_getName(properties[i]));
        NSString *attributes = @(property_getAttributes(properties[i]));
        NSLog(@"%@--------%@", name, attributes);
    }

打印结果如下： 

test[2321:451525] 3
test[2321:451525] name--------T@"NSString",&,N,V_name
test[2321:451525] age--------Ti,N,V_age
test[2321:451525] weight--------Td,N,V_weight

property_getName 用来查找属性的名称，返回 c 字符串。property_getAttributes 函数挖掘属性的真实名称和 @encode 类型，返回 c 字符串。 

objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name)
objc_property_t protocol_getProperty(Protocol *proto, const char *name, BOOL isRequiredProperty, BOOL isInstanceProperty)

class_getProperty 和 protocol_getProperty 通过给出属性名在类和协议中获得属性的引用。 Runtime与消息

一些 Runtime 术语讲完了，接下来就要说到消息了。体会苹果官方文档中的 messages aren’t bound to method implementations until Runtime。消息直到运行时才会与方法实现进行绑定。 这里要清楚一点，objc_msgSend 方法看清来好像返回了数据，其实objc_msgSend 从不返回数据，而是你的方法在运行时实现被调用后才会返回数据。下面详细叙述消息发送的步骤：

首先检测这个 selector 是不是要忽略。比如 Mac OS X 开发，有了垃圾回收就不理会 retain，release 这些函数。 检测这个 selector 的 target 是不是 nil，Objc 允许我们对一个 nil 对象执行任何方法不会 Crash，因为运行时会被忽略掉。 如果上面两步都通过了，那么就开始查找这个类的实现 IMP，先从 cache 里查找，如果找到了就运行对应的函数去执行相应的代码。 如果 cache 找不到就找类的方法列表中是否有对应的方法。 如果类的方法列表中找不到就到父类的方法列表中查找，一直找到 NSObject 类为止。 如果还找不到，就要开始进入动态方法解析了，后面会提到。 在消息的传递中，编译器会根据情况在 objc_msgSend ， objc_msgSend_stret ， objc_msgSendSuper ， objc_msgSendSuper_stret 这四个方法中选择一个调用。如果消息是传递给父类，那么会调用名字带有 Super 的函数，如果消息返回值是数据结构而不是简单值时，会调用名字带有 stret 的函数。 方法中的隐藏参数

疑问： 我们经常用到关键字 self ，但是 self 是如何获取当前方法的对象呢？ 其实，这也是 Runtime 系统的作用，self 实在方法运行时被动态传入的。

当 objc_msgSend 找到方法对应实现时，它将直接调用该方法实现，并将消息中所有参数都传递给方法实现，同时，它还将传递两个隐藏参数：

接受消息的对象(self 所指向的内容，当前方法的对象指针) 方法选择器(_cmd 指向的内容，当前方法的 SEL 指针) 因为在源代码方法的定义中，我们并没有发现这两个参数的声明。它们时在代码被编译时被插入方法实现中的。尽管这些参数没有被明确声明，在源代码中我们仍然可以引用它们。

这两个参数中， self更实用。它是在方法实现中访问消息接收者对象的实例变量的途径。

这时我们可能会想到另一个关键字 super ，实际上 super 关键字接收到消息时，编译器会创建一个 objc_super 结构体： 

struct objc_super { id receiver; Class class; };]

这个结构体指明了消息应该被传递给特定的父类。 receiver 仍然是 self 本身，当我们想通过 [super class] 获取父类时，编译器其实是将指向 self 的 id 指针和 class 的 SEL 传递给了 objc_msgSendSuper 函数。只有在 NSObject 类中才能找到 class 方法，然后 class 方法底层被转换为 object_getClass()， 接着底层编译器将代码转换为 objc_msgSend(objc_super->receiver, @selector(class))，传入的第一个参数是指向 self 的 id 指针，与调用 [self class] 相同，所以我们得到的永远都是 self 的类型。因此你会发现：

// 这句话并不能获取父类的类型，只能获取当前类的类型名 NSLog(@"%@", NSStringFromClass([super class])); 获取方法地址 NSObject 类中有一个实例方法：methodForSelector，你可以用它来获取某个方法选择器对应的 IMP ，举个例子： 

void (*setter)(id, SEL, BOOL);
int i;

setter = (void (*)(id, SEL, BOOL))[target
    methodForSelector:@selector(setFilled:)];
for ( i = 0 ; i < 1000 ; i++ )
    setter(targetList[i], @selector(setFilled:), YES);

当方法被当做函数调用时，两个隐藏参数也必须明确给出，上面的例子调用了1000次函数，你也可以尝试给 target 发送1000次 setFilled: 消息会花多久。

虽然可以更高效的调用方法，但是这种做法很少用，除非时需要持续大量重复调用某个方法的情况，才会选择使用以免消息发送泛滥。

注意： methodForSelector:方法是由 Runtime 系统提供的，而不是 Objc 自身的特性 动态方法解析 你可以动态提供一个方法实现。如果我们使用关键字 @dynamic 在类的实现文件中修饰一个属性，表明我们会为这个属性动态提供存取方法，编译器不会再默认为我们生成这个属性的 setter 和 getter 方法了，需要我们自己提供。

@dynamic propertyName; 这时，我们可以通过分别重载 resolveInstanceMethod: 和 resolveClassMethod: 方法添加实例方法实现和类方法实现。

当 Runtime 系统在 Cache 和类的方法列表(包括父类)中找不到要执行的方法时，Runtime 会调用 resolveInstanceMethod: 或 resolveClassMethod: 来给我们一次动态添加方法实现的机会。我们需要用 class_addMethod 函数完成向特定类添加特定方法实现的操作： 

void dynamicMethodIMP(id self, SEL _cmd) {
    // implementation ....
}
@implementation MyClass
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)aSEL
{
    if (aSEL == @selector(resolveThisMethodDynamically)) {
          class_addMethod([self class], aSEL, (IMP) dynamicMethodIMP, "v@:");
          return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:aSEL];
}
@end

上面的例子为 resolveThisMethodDynamically 方法添加了实现内容，就是 dynamicMethodIMP 方法中的代码。其中 "v@:" 表示返回值和参数，这个符号表示的含义见：Type Encoding

注意： 动态方法解析会在消息转发机制侵入前执行，动态方法解析器将会首先给予提供该方法选择器对应的 IMP 的机会。如果你想让该方法选择器被传送到转发机制，就让 resolveInstanceMethod: 方法返回 NO。 消息转发

#####1.重定向 消息转发机制执行前，Runtime 系统允许我们替换消息的接收者为其他对象。通过 - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector 方法。 

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
{
    if(aSelector == @selector(mysteriousMethod:)){
        return alternateObject;
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

如果此方法返回 nil 或者 self，则会计入消息转发机制(forwardInvocation:)，否则将向返回的对象重新发送消息。







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