iOS开发Runtime的理解与应用

2018-04-09 本文已影响0人小呀小苹果呀

一、Runtime概念

RunTime简称运行时,其中最主要的是消息机制。
对于C语言，函数的调用在编译的时候会决定调用哪个函数，编译完成之后直接顺序执行，无任何二义性。
OC的函数调用成为消息发送，属于动态调用过程。在编译的时候并不能决定真正调用哪个函数（事实证明，在编译阶段，OC可以调用任何函数，即使这个函数并未实现，只要声明过就不会报错。而C语言在编译阶段就会报错）。
只有在真正运行的时候才会根据函数的名称找到对应的函数来调用。

其动态性体现在三个方面：

1.动态类型：
即运行时再决定对象的类型。简单说就是id类型，任何对象都可以被id指针所指，只有在运行时才能决定是什么类型。像内置的明确的基本类型都属于静态类型(int、NSString等)。静态类型在编译的时候就能被识别出来。所以，若程序发生了类型不对应，编译器就会发出警告。而动态类型就编译器编译的时候是不能被识别的，要等到运行时(run time)，即程序运行的时候才会根据语境来识别。所以这里面就有两个概念要分清：编译时跟运行时。
2.动态绑定：
基于动态类型，在某个实例对象被确定后，其类型便被确定了。该对象对应的属性和响应的消息也被完全确定，这就是动态绑定。比如我们一般向一个NSObject对象发送-respondsToSelector:或者 -instancesRespondToSelector:等来确定对象是否可以对某个SEL做出响应，而在OC消息转发机制被触发之前，对应的类的+resolveClassMethod:和+resolveInstanceMethod:将会被调用，在此时有机会动态地向类或者实例添加新的方法，也即类的实现是可以动态绑定的；isKindOfClass也是一样的道理。
3.动态加载：
所谓动态加载就是我们做开发的时候icon图片的时候在Retina设备上要多添加一个张@2x的图片,当设备更换的时候,图片也会自动的替换。

二、Runtime数据结构

1.Class

Objective-C类是由Class类型来表示,Class 其实是指向 objc_class 结构体的指针

typedef struct objc_class *Class;

我们可以从<objc/runtime.h>里面看到类的定义

struct object_class{
    Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#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
     long info                                OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类信息，供运行期使用的一些位标识
     long instance_size                       OBJC2_UNAVAILABLE;  // 该类的实例变量大小
     struct objc_ivar_list *ivars             OBJC2_UNAVAILABLE;  // 该类的成员变量链表
     struct objc_method_list *methodLists     OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法定义的链表
     struct objc_cache *cache                 OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法缓存
     struct objc_protocol_list *protocols     OBJC2_UNAVAILABLE;  // 协议链表
#endif
}OBJC2_UNAVAILABLE;

2.id

id 是一个结构体指针类型，它可以指向 Objective-C 中的任何对象。从<objc/objc.h>中可以看出id其实是指向objc_object结构体的指针。objc_object只有一个成员变量 isa，对象可以通过 isa 指针找到其所属的类，这也是为什么id可以表示任意对象的原因。isa 是一个 Class 类型的成员变量。
注意：在KVO中，isa在运行时会被修改，指向一个中间类，对于编译器而言，isa的指向才是最真实的类型。

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

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由super_class指针找到父类的方法列表直至根类NSObject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。

3.元类（meta-Class）

类自身也是一种对象，可以叫做“类对象”。类对象包含一个指向其类的一个isa指针（ Class _Nonnull isa ）

为了调用类方法，这个类的isa指针必须指向一个包含这些类方法的一个objc_class结构体。这就引出了meta-class的概念，meta-class中存储着一个类的所有类方法。
所以，调用类方法的这个类对象的isa指针指向的就是meta-class。当我们向一个对象发送消息时，runtime会在这个对象所属的这个类的方法列表中查找方法；而向一个类发送消息时，会在这个类的meta-class的方法列表中查找。

下图是一个经典的类及相应meta-class类的一个继承体系图解：

image.png

从图中可以看出：
1.每个实例对象的类都是类对象，每个类对象的类都是元类对象，每个元类对象的类都是根元类（root meta class的isa指向自身）。即任何NSObject继承体系下的meta-class都使用NSObject的meta-class作为自己的所属类，而基类的meta-class的isa指针是指向它自己。
2.类对象的父类最终继承自根类对象NSObject，NSObject的父类为nil
3.元类对象（包括根元类）的父类最终继承自根类对象NSObject

三、方法和消息

1.SEL

typedef struct objc_selector *SEL；

SEL sel1 = @selector(func1);
SEL sel2 = NSSelectorFromString(func2);

SEL本质上是一个指向方法的指针。Objective-C在编译时，会依据每一个方法的名字、参数序列，生成一个唯一的整型标识即SEL，每一个方法都对应着一个SEL。所以即使返回值类型或参数类型不同，方法名相同也会报错。

2.IMP

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

IMP的本质是函数指针，指向方法实现的地址，直接通过IMP就可以找到各个方法。这样效率更高，因为绕过了消息传递阶段，直接定位。
SEL就是为了查找方法的最终实现IMP的。由于每个方法对应唯一的SEL，因此我们可以通过SEL方便快速准确地获得它所对应的IMP。

消息发送和转发流程可以概括为：消息发送（Messaging）是 Runtime 通过 selector 快速查找 IMP 的过程，有了函数指针就可以执行对应的方法实现；消息转发（Message Forwarding）是在查找 IMP 失败后执行一系列转发流程的慢速通道，如果不作转发处理，则会打日志和抛出异常。

3.Method

typedef struct objc_method *Method
struct objc_method{
    SEL method_name      OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法名
    char *method_types   OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp       OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法实现
}

可以看出method包含SEL和IMP，在实现方法交换时，主要原理就是交换SEL和IMP的映射关系。

参考：https://www.jianshu.com/p/46dd81402f63
https://www.jianshu.com/p/adf0d566c887
https://www.jianshu.com/p/13457a27624c