Runtime基本原理及Demo
先说句题外话：大半年没有耕耘自己的博客，之前都是把知识总结在自己的印象笔记中懒得排版编辑发出来，但时常有朋友来看我的博客还有点关注留言，让我觉得即使自己知识比较浅薄，但把有营养的部分发出来也能帮助到他人，所以最近打算陆续将笔记回顾整理发出来。整理分享，与君共勉。
一、介绍
Runtime是Objective-C中底层的一套C语言API，是一个将C语言转化为面向对象语言的拓展。OC是一种面向对象的动态语言，动态语言就是在运行时执行静态语言的编译连接的工作。OC编写的程序不能直接编译为及其读懂的机器语言，在程序运行时，须通过Runtime来转换。
Runtime的一切都围绕两个中心：类的动态配置 和 消息传递。
二、应用场景
- 运行时修改内存中的数据
- 动态的在内存中创建一个类
- 给类增加一个属性
- 给类增加一个协议实现
- 给类增加一个方法实现IMP
- 遍历一个类的所有成员变量、属性和方法等
- 具体应用
- 拦截系统自带的方法调用（Method Swizzling黑魔法）
- 将某些OC代码转化为Runtime代码，探究底层。如block的实现原理
- 实现给分类增加属性
- 实现NSCoding的自动归档和接档
- 实现字典的模型和自动转换
- JSPatch替换已有的OC方法实行等
三、原理详解
1.基本元素认知
(1) class和id
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就是所说的类。
类和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，分别称为类对象（class object）和实例对象（instance object），这样我们就可以区别对象和类了。
objc_object（实例对象）中的isa指针指向的类结构称为class，其中存放着普通成员变量和动态方法；objc_class中的isa指针指向类结构的metaclass，其中存放着static类型的成员变量和static类型的方法。
(2) SEL
SEL是selector在OC中的变现类型。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
};
每个方法都有一个与之对应的SEL类型的数据，根据一个SEL数据“@selector”就可以找到对应的方法地址，进而调用方法。
(3) IMP
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，这个函数指针确定了最终执行那段代码。
(4) Method
Method代表类中的某个方法类型
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
}
(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
}
(6) objc_property_t
objc_property_t是属性，它的定义如下：
typedef struct objc_property *objc_property_t;
(7) Category
这个就是分类，可以动态的为已存在的类添加新的方法。
2. OC的消息传递
在面向对象编程中，对象调用方法叫做发送消息。在编程中，程序源代码就会从对象发送消息转化成Runtime的objc_msgSend函数调用。
例如我们写的
[target doMethodWith:var];
会被编译器翻译成
objc_msgSend(target,@selector(doMethodWith:),var);
基本消息传递
objc_msgSend函数调用过程为：
- 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，如果仍找不到则继续通过super_class向上查找知道metaclass；
- 调用类方法时，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；
- 第四步：如果前三步都找不到方法则进入动态方法解析。
消息动态解析
动态解析流程图（图片来自网络）
消息动态解析具体流程
- 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，则进入第三步；
- 第三步：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；
- 第四步：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。
四、具体实现
首先，在需要调用Runtime相关方法和参数的地方添加头文件<objc/runtime.h>
遍历一个类的所有成员变量、属性和方法
创建一个继承于NSObject的Person类，其中包含一个供外类使用的属性name和一个实例变量age。
// 遍历Person类中所有的变量
-(void) getALLVariable{
unsigned int count = 0;
Ivar *allVariables = class_copyIvarList([Person class], &count);
for (int i = 0 ; i< count; i++) {
//遍历每一个变量,包括名称和类型
Ivar ivar = allVariables[i];
const char *VariableName = ivar_getName(ivar);
const char *VariableType = ivar_getTypeEncoding(ivar);
NSLog(@"(Name:%s)-------(Type:%s)",VariableName,VariableType);
}
}
通过Runtime我们可以获取到一个类的成员变量列表和属性方法等，即使是私有属性和私有方法。这就是Runtime强大的体现之一。若是想遍历属性列表可以将class_copyIvarList替换为class_copyPropertyList。
给Person类添加一个公共方法-(void) method1和一个私有方法-(void) method2，使用Runtime遍历Person的所有方法
//遍历Person类的方法
-(void) getAllMethod{
unsigned int count = 0;
Method *AllMethods = class_copyMethodList([Person class], &count);
for (int i = 0 ; i<count; i++) {
Method method = AllMethods[i];
//获取SEL：SEL类型,即获取方法选择器@selector()
SEL sel = method_getName(method);
//得到sel的方法名：以字符串格式获取sel的name，也即@selector()中的方法名称
const char *methodName = sel_getName(sel);
NSLog(@"-------the method :%s",methodName);
}
}
控制台输出了包括set和get等方法名称。【备注：.cxx_destruct方法是关于系统自动内存释放工作的一个隐藏的函数，当ARC下，且本类拥有实例变量时，才会出现；】
在OC中，selector、Method、implementation是Runtime中一个特殊点，在一般情况下、这些术语更多的使用在消息发送的过程描述中。
理解这几个术语之间关系的最好方式是：一个类维护一个Runtime可接受的消息分发表；分发表中的每个入口是一个Method，其中Key是一个特定名称，即SEL，其对应一个实现（IMP），即指向底层C函数的指针。
动态改变一个类变量的数值
//改变Person变量的数值
-(void) changeVariable{
NSLog(@"before change person : %@ -------",_person);
unsigned int count = 0;
Ivar *allList = class_copyIvarList([Person class], &count);
for (int i = 0; i< count; i++) {
Ivar var = allList[i];
const char *varName = ivar_getName(var);
NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:varName];
if ([name isEqualToString:@"_name"]) {
object_setIvar(_person, var, @"lannis");
}
}
NSLog(@"after change person : %@ -------",_person);
}
动态添加方法
-(void) addMethod{
class_addMethod([self class], @selector(addfunc3), (IMP)func3, "v@:");
if ([self respondsToSelector:@selector(addfunc3)]) {
[self performSelector:@selector(addfunc3)];
}else{
NSLog(@"add method error");
}
}
void func3(id self,SEL _cmd){
NSLog(@"%s",__func__);
}
调用class_addMethod(__unsafe_unretained Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)方法给指定类添加方法。
imp参数：实现被添加方法的函数，在本例中func3是指func3的地址指针；
types参数：一个定义该函数返回值类型和参数类型的字符串。本例中"v@:"意思是v代表无返回值void，@代表id sel；：代表SEL _cmd；
要注意的是：func3方法前的void不加+、-号，因为这是C的代码；必须有指定两个参数（id self，SEL _cmd）；
动态交换方法
将存在的两个方法的实现进行交换
-(void) exchangeImplementations{
Method m1 = class_getInstanceMethod([Person class], @selector(func1));
Method m2 = class_getInstanceMethod([Person class], @selector(func2));
method_exchangeImplementations(m1, m2);
}
本文参考文献
Objective-C Runtime Reference
Objective-C Runtime 1小时入门教程
Objective-C Runtime 运行时之四：Method Swizzling
Runtime Part1 认识
Runtime的几个小例子
