OC底层知识(九) : Runtime

2018-10-10 本文已影响27人 IIronMan

一、Runtime的介绍

Objective-C是一门动态性比较强的编程语言，跟C、C++等语言有着很大的不同
Objective-C的动态性是由Runtime API来支撑的
Runtime API提供的接口基本都是C语言的，源码由C\C++\汇编语言编写

二、isa详解

要想学习Runtime，首先要了解它底层的一些常用数据结构，比如isa指针
在arm64架构之前，isa就是一个普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址
从arm64架构开始，对isa进行了优化，变成了一个共用体（union）结构，还使用位域来存储更多的信息

isa详解
isa详解 – 位域
- nonpointer
  - 0，代表普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址
  - 1，代表优化过，使用位域存储更多的信息
- has_assoc
  - 是否有设置过关联对象，如果没有，释放时会更快
- has_cxx_dtor
  - 是否有C++的析构函数（.cxx_destruct），如果没有，释放时会更快
- shiftcls
  - 着Class、Meta-Class对象的内存地址信息
- magic
  - 用于在调试时分辨对象是否未完成初始化
- weakly_referenced
  - 是否有被弱引用指向过，如果没有，释放时会更快
- deallocating
  - 对象是否正在释放
- extra_rc
  - 里面存储的值是引用计数器减1
- has_sidetable_rc
  - 引用计数器是否过大无法存储在isa中
  - 如果为1，那么引用计数会存储在一个叫SideTable的类的属性中

三、objc_msgSend执行流程可以分为3大阶段

3.1、消息发送(其实也就是isa与superclass寻找方法(对象方法或类方法))

消息发送(MJ老师做的图)
- receiver通过isa指针找到receiverClass
- receiverClass通过superclass指针找到superClass

3.2、动态方法解析(在消息发送机制找不到方法之后进行动态方法解析)

动态方法解析

可以实现以下方法，来动态添加方法实现
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel; (对象方法的动态添加)

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
   if (sel == @selector(test)) {
       // 获取其他方法
       Method method = class_getInstanceMethod(self, @selector(other));

       // 动态添加test方法的实现
       class_addMethod(self, sel,
                       method_getImplementation(method),
                       method_getTypeEncoding(method));
       // 返回YES代表有动态添加方法
       return YES;
    }
  return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

-(void)other{

   NSLog(@"%s",__func__);
}

+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel; (类方法的动态添加)

+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel
{
   if (sel == @selector(classTest)) {
      // 第一个参数是object_getClass(self)
      //class_addMethod(object_getClass(self), sel, (IMP)c_other, "v16@0:8");
      // 获取其他方法
      Method method = class_getClassMethod(self, @selector(classOther));
      // 动态添加test方法的实现
      class_addMethod(object_getClass(self), sel,
               method_getImplementation(method),
               method_getTypeEncoding(method));

      // 返回YES代表有动态添加方法
      return YES;
    }
  return [super resolveClassMethod:sel];
}

#pragma mark 类方法的转换（类方法classTest找不到就转换classOther方法）
+(void)classOther{

   NSLog(@"类方法classTest找不到就转换classOther方法");
}

Runtime动态转换方法的demo Person 类

3.3、消息转发

消息转发

解释上面的图：

3.3.1、当动态解析过都找不到一个方法时候就会走消息转发，首先会调用forwardingTargetForSelector(前面可能是 +(void)或者-(void)),如果不返回nil就会走返回类的 Selector，如果返回nil就走 3.3.2
```
-(id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{

     if (aSelector == @selector(test)) {

          //return [[People alloc]init];
          return nil;
     }
   return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
```

3.3.2、当forwardingTargetForSelector返回nil或者不写这个方法时候，就会调用下面的方法

#pragma mark 2
/**
  方法签名：返回值类型、参数类型
*/
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector
{
    if (aSelector == @selector(test)) {

      // 获取其他方法(一)，会走 #pragma mark 3
      /*
         Method method = class_getInstanceMethod([People class], @selector(test));
         return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:method_getTypeEncoding(method)];
       */

      // 下面这一句和上面2句一个意思(二) 会走 #pragma mark 3
      return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v16@0:8"];

      /**
         如果返回nil 就不会再走会走 #pragma mark 3 方法了，会报错返回(doesNotRecognizeSelector)
         -[NSObject(NSObject) doesNotRecognizeSelector:] + 132
       */
      // return nil;
     }
  return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

#pragma mark 3.上面的方法不返回nil才会走
/**
   NSInvocation封装了一个方法调用，包括：方法调用者、方法名、方法参数
   anInvocation.target 方法调用者
   anInvocation.selector 方法名
   [anInvocation getArgument:NULL atIndex:0]
*/
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
{
   //    anInvocation.target = [[MJCat alloc] init];
   //    [anInvocation invoke];

   [anInvocation invokeWithTarget:[[People alloc] init]];
 }

当上面的 #pragma mark 2 返回nil的时候，就不会走#pragma mark 3，且报错 doesNotRecognizeSelector

methodSignatureForSelector 返回nil报错 doesNotRecognizeSelector
Runtime消息转发的demo,看Student与People类

四、Runtime的常见API

4.1、API-类

动态创建一个类 (参数：父类，类名，额外的内存空间)

/**
  三个参数：
  Class  _Nullable __unsafe_unretained superclass: 父类
  const char * _Nonnull name: 新的类名字
  size_t extraBytes: 需不需要为这个类增加额外的内存空间
 */
objc_allocateClassPair(Class  _Nullable __unsafe_unretained superclass, const char * _Nonnull name, size_t extraBytes)

注册一个类 (要在类注册之前添加成员变量)

objc_registerClassPair(Class  _Nonnull __unsafe_unretained cls)

销毁一个类

objc_disposeClassPair(Class  _Nonnull __unsafe_unretained cls)

获取isa指向的Class

object_getClass(id  _Nullable obj) 返回值： BOOL

设置isa指向的Class

object_setClass(id  _Nullable obj, Class  _Nonnull __unsafe_unretained cls) 返回值： Class

判断一个OC对象是否为 Class

object_isClass(id  _Nullable obj) 返回值： BOOL

判断一个Class是否为元类

class_isMetaClass(Class  _Nullable __unsafe_unretained cls) 返回值： BOOL

获取父类

class_getSuperclass(Class  _Nullable __unsafe_unretained cls) 返回值： Class

4.2、API-成员变量

获取一个实例变量

class_getInstanceVariable(Class  _Nullable __unsafe_unretained cls, const char * _Nonnull name)

设置和获取成员变量的值

object_setIvar(id  _Nullable obj, Ivar  _Nonnull ivar, id  _Nullable value)
object_getIvar(id  _Nullable obj, Ivar  _Nonnull ivar)

动态添加成员变量(已经注册的类是不能动态添加成员变量的)

/**
  Class  _Nullable __unsafe_unretained cls : 创建的新类
  const char * _Nonnull name : 成员变量的名字
  size_t size: 占用多少个字节
  uint8_t alignment: 对其,写 1 就好
  const char * _Nullable types: 类型
 */
 class_addIvar(Class  _Nullable __unsafe_unretained cls, const char * _Nonnull name, size_t size, uint8_t alignment, const char * _Nullable types)

拷贝实例变量列表(最后需要调用free释放) class_copyIvarList

unsigned int count;
Ivar *ivars = class_copyIvarList([JKPerson class], &count);
for (int i = 0; i < count; i++) {
   // 取出i位置的成员变量
   Ivar ivar = ivars[I];
   NSLog(@"%s %s", ivar_getName(ivar), ivar_getTypeEncoding(ivar));
}
free(ivars);

举例：上面的应用，我们可以把JKPerson 把它换成 UILabel 、UIButton 、UITextView等等来窥探一个类的成员变量信息，下面以UITextFiled为例，这是 demo

UITextFiled的成员变量打印
可以看到上面的打印，_placeholderLabel @"UITextFieldLabel",我们可以看到 UITextFiled的Placeholder的类是UITextFieldLabel，通过打印通过下面的打印我们可以看到UITextFieldLabel UILabel

 UITextField *textFiled = [[UITextField alloc]initWithFrame:CGRectMake(50, 100, 200, 50)];
 textFiled.placeholder = @"请输入手机号";
 [self.view addSubview:textFiled];
 id placeholderLabel = [textFiled valueForKeyPath:@"_placeholderLabel"];
 NSLog(@"%@ %@",[placeholderLabel class],[placeholderLabel superclass]);
 打印结果是：UITextFieldLabel UILabel

所以我们可以设置UITextFiled的 placeholder 颜色新的方式

第1种修改颜色
[textFiled setValue:[UIColor redColor] forKeyPath:@"_placeholderLabel.textColor"];
第2种修改颜色
UILabel *placeholderLabel = [textFiled valueForKeyPath:@"_placeholderLabel"];
placeholderLabel.textColor = [UIColor greenColor];

获取成员变量相关信息（使用挨着的上面）

 const char *ivar_getName(Ivar v)
 const char *ivar_getTypeEncoding(Ivar v)

4.3、API-属性

获取一个属性

objc_property_t class_getProperty(Class cls,const char *name)

拷贝属性列表

objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls,unsigned int *outCount)

动态添加属性

BOOL class_addProperty(Class cls,const char *name,const objc_property_attribute_t *attributes,unsigned int attributeCount)

动态替换属性

 void class_replaceProperty(Class cls,const char *name,const objc_property_attribute_t *attributes,unsigned int attributeCount)

获取一些属性的信息

const char *property_getName(objc_property_t property)
const char *property_getAttributes(objc_property_t property)

4.4、API-方法(method_exchangeImplementations是比较常用的，这是demo)

获得一个实例方法、类方法

Methon class_getClassMethod(Class  _Nullable __unsafe_unretained cls, SEL  _Nonnull name)
Methon  class_getInstanceMethod(Class  _Nullable __unsafe_unretained cls, SEL  _Nonnull name)

方法实现相关操作

IMP class_getMethodImplementation(Class  _Nullable __unsafe_unretained cls, SEL  _Nonnull name)
IMP method_setImplementation(Method  _Nonnull m, IMP  _Nonnull imp)
void method_exchangeImplementations(Method  _Nonnull m1, Method  _Nonnull m2)

拷贝方法列表(最后需要调用free释放)

Methon class_copyMethodList(Class  _Nullable __unsafe_unretained cls, unsigned int * _Nullable outCount)

动态添加方法

BOOL class_addMethod(Class  _Nullable __unsafe_unretained cls, SEL  _Nonnull name, IMP  _Nonnull imp, const char * _Nullable types)

动态替换方法

IMP class_replaceMethod(Class  _Nullable __unsafe_unretained cls, SEL  _Nonnull name, IMP  _Nonnull imp, const char * _Nullable types)

获取方法的相关信息（带有copy的需要调用free去释放）

SEL method_getName(Method  _Nonnull m)
IMP method_getImplementation(Method  _Nonnull m)
const char *method_getTypeEncoding(Method  _Nonnull m)
unsigned int method_getNumberOfArguments(Method  _Nonnull m)
char *method_copyReturnType(Method  _Nonnull m)
char *method_copyArgumentType(Method  _Nonnull m, unsigned int index)

选择器相关

const char  *sel_getName(SEL  _Nonnull sel)
SEL sel_registerName(const char * _Nonnull str)

用block作为方法实现

IMP imp_implementationWithBlock(id  _Nonnull block)
id imp_getBlock(IMP  _Nonnull anImp)
BOOL imp_removeBlock(IMP  _Nonnull anImp)

五、常见面试题

5.1、讲一下 OC 的消息机制
答：OC 中的方法调用其实都是转成了 objc_msgSend 函数的调用，给receiver(方法调用者) 发送一条消息(selector方法名)，objc_msgSend底层有3大阶段（会回答这3个阶段看是上面的三）
5.2、消息转发机制流程
答：看上面的 3.3
5.3、说出下面的打印
题目内容: People 和Student两个类，Student继承于People，People继承于NSObject

Student继承于People
```
#import "Student.h"
@implementation Student

-(void)printContent{

    NSLog(@"[self class] = %@",[self class]);
    NSLog(@"[self superclass] = %@",[self superclass]);

    NSLog(@"[super class] = %@",[super class]);
    NSLog(@"[super superclass] = %@",[super superclass]);

}
@end

打印结果为：
[self class] = Student
[self superclass] = People
[super class] = Student
[super superclass] = People
```
解释：
- [self class] 是打印类，很明显是 Student;
- [self superclass] 是通过superclass查找父类，Student继承于People，所以打印时People
- [super class] 其实相比[self class]在本质上它们的 receiver 都是 self,所以在打印上都是 Student
- [super superclass] 其实相比[self superclass]在本质上它们的 receiver 都是 self,所以在打印上都是 People

5.4、说一下下面的打印，Student是继承于NSObject的类

Student是继承于NSObject的类

id student = [[Student alloc]init];

NSLog(@"%d",[student isMemberOfClass:[Student class]]);
NSLog(@"%d",[student isMemberOfClass:[NSObject class]]);

NSLog(@"%d",[student isKindOfClass:[Student class]]);
NSLog(@"%d",[student isKindOfClass:[NSObject class]]);

打印结果是：
 1
 0
 1
 1

解释：先展示一下OC的源码

+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
     return object_getClass((id)self) == cls;
}

- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
     return [self class] == cls;
}

+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
      for (Class tcls = object_getClass((id)self); tcls; tcls = tcls->superclass) {
         if (tcls == cls) return YES;
      }
   return NO;
}

- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
     for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->superclass) {
         if (tcls == cls) return YES;
     }
  return NO;
}

5.4.1、先说 - 号的或者说实例方法的 - (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls 与 - (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls

isMemberOfClass: 是判断一个对象是否是某一个类，看OC源码是判断 return [self class] == cls;，可以看出是判断是否相同类，一对一，如下

id student = [[Student alloc]init];

NSLog(@"%d",[student isMemberOfClass:[Student class]]);  打印是 1
NSLog(@"%d",[student isMemberOfClass:[NSObject class]]); 打印是 0

isKindOfClass: 是判断一个对象是否是某一个类或者是某一个类的子类，看上面OC源码是用了for循环进行查询

id student = [[Student alloc]init];

NSLog(@"%d",[student isMemberOfClass:[Student class]]); 打印是 1
NSLog(@"%d",[student isMemberOfClass:[NSObject class]]); 打印是 0

NSLog(@"%d",[student isKindOfClass:[Student class]]); 打印是 1
NSLog(@"%d",[student isKindOfClass:[NSObject class]]); 打印是 1

5.4.2、再说 + 号的或者说类方法的 +(BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls 与 + (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls
- isMemberOfClass: 是判断一个对象是否是某一个类，看OC源码是判断 return [self class] == cls;，可以看出是判断是否相同类，一对一，如下
```
NSLog(@"%d",[Student isMemberOfClass:object_getClass([Student class])]); 打印是 1
NSLog(@"%d",[Student isMemberOfClass:object_getClass([NSObject class])]); 打印是 0
```
- isKindOfClass: 是判断一个对象是否是某一个类或者是某一个类的子类，看上面OC源码是用了for循环进行查询
```
NSLog(@"%d",[Student isKindOfClass:object_getClass([Student class])]); 打印是 1
NSLog(@"%d",[Student isKindOfClass:object_getClass([NSObject class])]); 打印是 1
```
5.4.3、说一个特殊的情况:一看下面的 [NSObject class] 大多数人都会认为结果是 0，正常情况下是如此的，但是呢，Student 类的基类 NSObject 的superclass指向的是自己的类对象 [NSObject class]，故下面的结果是 1
```
NSLog(@"%d",[Student isKindOfClass:[NSObject class]]); 打印结果为 1
```
说明：不管上面的 Student 是什么类型，结果都是 1，因为通过superclass都会回到 [NSObject class]
5.4.4、下面是一张有关 isa与superclass的图

isa与superclass的图

5.5、什么是 Runtime ？平时项目中用过吗？

答：方法交换，窥探某一个类的成员变量，字典转model等等

六：另外增加的测试demo

1、利用Runtime设置整个app字体的大小

OC底层知识(九) : Runtime

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