iOS Runtime 基础原理

2018-12-10 本文已影响7人羽裳有涯

关于 Runtime ，网上已经有很多很好的文章，写得很详尽。本篇主要是从新手的角度出发，逐步介绍 Runtime 的原理、常用方法、应用场景等。

一、Runtime 是什么

在 C 语言中，将代码转换为可执行程序，一般要经历三个步骤，即编译、链接、运行。在链接的时候，对象的类型、方法的实现就已经确定好了。

而在 Objective-C 中，却将一些在编译和链接过程中的工作，放到了运行阶段。也就是说，就算是一个编译好的 .ipa 包，在程序没运行的时候，也不知道调用一个方法会发生什么。这也为后来大行其道的「热修复」提供了可能。因此我们称 Objective-C为一门动态语言。

这样的设计使 Objective-C 变得灵活，甚至可以让我们在程序运行的时候，去动态修改一个方法的实现。而实现这一切的基础就是 Runtime。
简单来说， Runtime 是一个库，这个库使我们可以在程序运行时创建对象、检查对象，修改类和对象的方法。
至于这个库是怎么实现的，请紧张刺激地往下看。

二、Runtime 是怎么工作的

要了解 Runtime 是怎么工作的，首先要知道类和对象在 Objective-C 中是怎么定义的。

注意：以下会用到 C 语言中结构体的内容，包括结构体的定义、为结构体定义别名等。如果你对这块不熟悉，建议先复习一下这块的语法。传送门

1. Class 和 Object

在 objc.h 中， Class 被定义为指向 objc_class 的指针，定义如下：

typedef struct objc_class *Class;

而 objc_class 是一个结构体，在 runtime.h 中的定义如下：

struct objc_class {
    Class isa;                                // 实现方法调用的关键
    Class super_class;                        // 父类
    const char * name;                        // 类名
    long version;                             // 类的版本信息，默认为0
    long info;                                // 类信息，供运行期使用的一些位标识
    long instance_size;                       // 该类的实例变量大小
    struct objc_ivar_list * ivars;            // 该类的成员变量链表
    struct objc_method_list ** methodLists;   // 方法定义的链表
    struct objc_cache * cache;                // 方法缓存
    struct objc_protocol_list * protocols;    // 协议链表
};

为了方便理解，我这里去掉了一些声明，主要是和 Objective-C 语言版本相关，这里可以暂时忽略。完整的定义可以自己去 runtime.h 中查看。

提示：在 Xcode 中，使用快捷键 command + shift + o ，可以打开搜索窗口，输入 objc_class 即可看到头文件定义。

可以看到，一个类保存了自身所有的成员变量（ ivars ）、所有的方法（ methodLists ）、所有实现的协议（ objc_protocol_list ）。

比较重要的字段还有 isa 和 cache ，它们是什么东西，先不着急，我们来看下 Objective-C 中对象的定义。

struct objc_object {
    Class isa;
};

typedef struct objc_object *id;

这里看到了我们熟悉的 id ，一般我们用它来实现类似于 C++ 中泛型的一些操作，该类型的对象可以转换为任意一种对象。在这里 id 被定义为一个指向 objc_object 的指针。说明 objc_object 就是我们平时常用的对象的定义，它只包含一个 isa 指针。

也就是说，一个对象唯一保存的信息就是它的 Class 的地址 isa。当我们调用一个对象的方法时，它会通过 isa 去找到对应的 objc_class，然后再在 objc_class 的 methodLists 中找到我们调用的方法，然后执行。

再说说 cache ，因为调用方法的过程是个查找 methodLists 的过程，如果每次调用都去查找，效率会非常低。所以对于调用过的方法，会以 map 的方式保存在 cache 中，下次再调用就会快很多。

2. Meta Class 元类

上一小节讲了 Objective-C 中类和对象的定义，也讲了调用对象方法的实现过程。但还留下了许多问题，比如调用一个对象的类方法的过程是怎么样的？还有 objc_class 中也有一个 isa 指针，它是干嘛用的？

现在划重点，在 Objective-C 中，类也被设计为一个对象。

其实观察 objc_class 和 objc_object 的定义，会发现两者其实本质相同（都包含 isa 指针），只是 objc_class 多了一些额外的字段。相应的，类也是一个对象，只是保存了一些字段。

既然说类也是对象，那么类的类型是什么呢？这里就引出了另外一个概念 —— Meta Class（元类）。

在 Objective-C 中，每一个类都有对应的元类。而在元类的 methodLists 中，保存了类的方法链表，即所谓的「类方法」。并且类的 isa 指针指向对应的元类。因此上面的问题答案就呼之欲出，调用一个对象的类方法的过程如下：

通过对象的 isa 指针找到对应的类。
通过类的 isa 指针找到对应元类。
在元类的 methodLists 中，找到对应的方法，然后执行。

注意：上面类方法的调用过程不考虑继承的情况，这里只是说明一下类方法的调用原理，完整的调用流程在后面会提到。

这么说来元类也有一个 isa 指针，元类也应该是一个对象。的确是这样。那么元类的 isa 指向哪里呢？为了不让这种结构无限延伸下去， Objective-C 的设计者让所有的元类的 isa 指向基类（比如 NSObject ）的元类。而基类的元类的 isa 指向自己。这样就形成了一个完美的闭环。

下面这张图可以清晰地表示出这种关系。

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同时注意 super_class 的指向，基类的 super_class 指向 nil 。

3. Method

上面讲到，「找到对应的方法，然后执行」，那么这个「执行」是怎样进行的呢？下面就来介绍一下 Objective-C 中的方法调用。

先来看一下 Method 在头文件中的定义：

typedef struct objc_method *Method;

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

Method 被定义为一个 objc_method 指针，在 objc_method 结构体中，包含一个 SEL 和一个 IMP ，同样来看一下它们的定义：

// SEL
typedef struct objc_selector *SEL;

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

1、先说一下 SEL 。 SEL 是一个指向 objc_selector 的指针，而 objc_selector 在头文件中找不到明确的定义。

我们来测试以下代码：

SEL sel = @selector(viewDidLoad);
NSLog(@"%s", sel);          // 输出：viewDidLoad
SEL sel1 = @selector(viewDidLoad1);
NSLog(@"%s", sel1);         // 输出：viewDidLoad1

可以看到， SEL 不过是保存了方法名的一串字符。因此我们可以认为， SEL 就是一个保存方法名的字符串。

由于一个 Method 只保存了方法的方法名，并最终要根据方法名来查找方法的实现，因此在 Objective-C 中不支持下面这种定义。

- (void)setWidth:(int)width;
- (void)setWidth:(double)width;

2、再来说 IMP 。可以看到它是一个「函数指针」。简单来说，「函数指针」就是用来找到函数地址，然后执行函数。（「函数指针」了解一下）

这里要注意， IMP 指向的函数的前两个参数是默认参数， id 和 SEL 。这里的 SEL 好理解，就是函数名。而 id ，对于实例方法来说， self 保存了当前对象的地址；对于类方法来说， self 保存了当前对应类对象的地址。后面的省略号即是参数列表。

3、到这里， Method 的结构就很明了了。 Method 建立了 SEL 和 IMP 的关联，当对一个对象发送消息时，会通过给出的 SEL 去找到 IMP ，然后执行。

在 Objective-C 中，所有的方法调用，都会转化成向对象发送消息。发送消息主要是使用 objc_msgSend 函数。看一下头文件定义：

id objc_msgSend(id self, SEL op, ...);

可以看到参数列表和 IMP 指向的函数参数列表是相对应的。 Runtime 会将方法调用做下面的转换，所以一般也称 Objective-C 中的调用方法为「发送消息」。

[self doSomething];

objc_msgSend(self, @selector(doSomething));

4、上面看到 objc_msgSend 会默认传入 id 和 SEL 。这对应了两个隐含参数， self 和 _cmd 。这意味着我们可以在方法的实现过程中拿到它们，并使用它们。下面来看个例子：

- (void)testCmd:(NSNumber *)num {

    NSLog(@"%ld", (long)num.integerValue);

    num = [NSNumber numberWithInteger:num.integerValue-1];

    if (num.integerValue > 0) {
        [self performSelector:_cmd withObject:num];
    }
}

尝试调用：

[self testCmd:@(5)];

上面会按顺序输出 5, 4, 3, 2, 1 ，然后结束。即我们可以在方法内部用 _cmd 来调用方法自身。

5、上面已经介绍了方法调用的大致过程，下面来讨论类之间继承的情况。重新回去看 objc_class 结构体的定义，当中包含一个指向父类的指针 super_class 。

即当向一个对象发送消息时，会去这个类的 methodLists 中查找相应的 SEL ，如果查不到，则通过 super_class 指针找到父类，再去父类的 methodLists 中查找，层层递进。最后仍然找不到，才走抛异常流程。

下面的图演示了一个基本的消息发送框架：

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6、当一个方法找不到的时候，会走拦截调用和消息转发流程。我们可以重写 +resolveClassMethod: 和 +resolveInstanceMethod: 方法，在程序崩溃前做一些处理。通常的做法是动态添加一个方法，并返回 YES 告诉程序已经成功处理消息。如果这两个方法返回 NO ，这个流程会继续往下走，完整的流程如下图所示：

1852765-3a683919c57a9cda.jpg

4. Category

我们来看一下 Category 在头文件中的定义：

typedef struct objc_category *Category;

struct objc_category {
    char * category_name;
    char * class_name;
    struct objc_method_list * instance_methods;
    struct objc_method_list * class_methods;
    struct objc_protocol_list * protocols;
}

Category是一个指向 objc_category结构体的指针，在 objc_category 中包含对象方法列表、类方法列表、协议列表。从这里我们也可以看出， Category 支持添加对象方法、类方法、协议，但不能保存成员变量。

注意：在 Category 中是可以添加属性的，但不会生成对应的成员变量、 getter 和 setter 。因此，调用 Category中声明的属性时会报错。

我们可以通过「关联对象」的方式来添加可用的属性。具体操作如下：

1、在 UIViewController+Tag.h 文件中声明property 。

@property (nonatomic, strong) NSString *tag;

2、在 UIViewController+Tag.m中实现 getter和 setter。记得添加头文件 #import <objc/runtime.h> 。主要是用到 objc_setAssociatedObject 和 objc_getAssociatedObject 这两个方法。

static void *tag = &tag;

@implementation UIViewController (Tag)

- (void)setTag:(NSString *)t {
    
    objc_setAssociatedObject(self, &tag, t, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}

- (NSString *)tag {
    
    return objc_getAssociatedObject(self, &tag);
}

@end

3、在子类中调用。

// 子类 ViewController.m
- (void)testCategroy {
    
    self.tag = @"TAG";
    NSLog(@"%@", self.tag);   // 这里输出：TAG
}

注意：当一个对象被释放后， Runtime 回去查找这个对象是否有关联的对象，有的话，会将它们释放掉。因此不需要我们手动去释放。

注：
深入理解Objective-C：Category