iOS进阶：Objective-C底层原理

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该篇文章转自 Cocoa开发者社区微信公众号

iOS进阶：Objective-C底层原理
2017-08-02 BlueManlove Cocoa开发者社区

这篇读书笔记主要介绍了Objective-C底层的一些东西，比如Objective-C对象模型、objc_msgSend消息发送原理、方法混写(Method Swizzling)和ISA混写(ISA Swizzling)。

Objective-C对象模型

我们都知道Objective-C是一门动态性语言，这种动态性的核心是objc提供的Objective-C运行时，比如objc_msgSend就是一个核心函数，每次使用[object message]语法都会调用它。我们先来了解下Objective-C对象模型。

Objective-C是一门面向对象的编程语言，每一个对象都是一个类的实例，在Objective-C中，每一个对象都有一个名为isa的指针，指向该对象的类。每一个类描述了一系列它的实例的特点，包括成员变量的列表、成员函数的列表等。每一个对象都可以接受到消息，而对象能够接受到的消息列表保存在它所对应的类中。

注意：

每一个对象都有一个isa指针，这个指针指向的是它的类。

类中包括成员变量、成员函数列表等。

在Xcode中打开objc.h文件，会看到如下代码：

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

通过注释我们看到objc_object代表一个对象的实例，在对象实例中我们看到了isa指针，验证了我们刚才说的话。

根据面向对象的设计原则，所有事物都应该是对象，所以在Objective-C中，每一个类实际上也是一个对象，每一个类也有一个名为isa的指针，每一个类也可以接收消息，例如代码[NSObject alloc]，就是向NSObject这个类发送名为alloc的消息。

在Xcode中打开runtime.h文件，会看到如下代码：

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;

objc_class代表一个类，从上面代码中可以看出类中有一个isa指针的。前面说到isa指针会执行它的类，那类中的isa指针指向什么呢？因为类也是一个对象，所以它也必须是另一个类的实例，这个类就是元类（metaclass），所以isa指针指向的是它的元类。元类保存了类的方法列表。当一个类的方法被调用时，元类会首先查找它本身是否有该类方法的实现，如果没有，则该元类会向它的父类查找该方法，这样可以一直找到继承链的头。

如前面所说元类也是一个对象，那么元类的isa指针指向谁呢？Objective-C为了设计上的完整，所有的元类的isa指针都会指向一个根元类（root metaclass），根元类的isa指针指向自己，这样就形成一个闭环。上面说到，一个对象能够接收的消息列表是保存在它所对应的类中的。在实际编程中，我们几乎不会遇到向元类发消息的情况，那它的isa指针在实际上很少用到。

再来看看继承关系，由于类方法的定义是保存在元类中，而方法调用的规则是，如果该类没有一个方法的实现，则向它的父类继续查找。所以，为了保证父类的类方法在子类中可以被调用，所有子类的元类都会继承父类的元类，简单来说就是类对象和元类对象有着同样的继承关系。

最后用一张图对对象模型做一个总结，如下图：

1-1 对象模型.jpg

objc_msgSend

Objective-C运行时的核心就在于消息分派器objc_msgSend，消息分派器把选择器映射为函数指针，并调用被引用的函数。要想理解objc_msgSend的背后原理，先来理解下NSInvocation这个类。

NSInvocation是命令模式的一种传统实现，它把一个目标、一个选择器、一个方法签名和所有的参数都塞进一个对象里，这个对象可以先存储起来，以备将来调用。当NSInvocation被调用时，它会发送信息，Objective-C运行时会找到正确的方法实现来执行。我们通过一个例子来理解下NSInvocation的作用，比如[NSObject alloc]，此时会发送一个alloc消息，这条消息都包含什么内容呢？它怎么找到alloc的实现方法呢？这些都是通过NSInvocation来完成的，它包含了消息要传递的内容，也告诉了该怎么找到对应的方法实现。

解释一下什么是方法实现？一个方法实现(IMP)是一个指向具有如下签名的C函数的函数指针，注意是指针。

id function(id self, SEL _cmd, ...)

NSInvocation包含了一个目标和选择器，目标是一个可接受的对象，选择器则是被发送的消息。比如[NSObject alloc]，目标就是NSObject，选择器就是alloc。一个选择器大致是一个方法的名称，之所以说是大致是因为选择器不必精确映射到方法。比如[NSString length]和[NSData length]会映射到不同方法的实现，但他们拥有相同的选择器。

NSInvocation还包含一个方法签名(NSMethodSignature)，它封装了一个方法的返回类型和参数类型，记住它不包括方法名称，只有返回类型和参数类型。你可以手动创建一个方法签名，如下：

NSMethodSignature *sig = [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"@@:*"];

但是应该尽可能少使用signatureWithObjCTypes:方法，获得方法签名常用的方法是为它请求一个类或实例，比如可以使用methodSignatureForSelector:方法从实例中请求实例方法签名，或者从类中请求类方法签名。也可以使用instanceMethodSignatureForSelector:方法从一个类中获取实例方法签名。两个方法有点绕口，我们通过一个例子来看下区别：

SEL initSEL = @selector(init);
SEL allocSEL = @selector(alloc);

// 从NSString类中获取实例方法(init)的方法签名
NSMethodSignature *initSig = [NSString instanceMethodSignatureForSelector:initSEL];
// 从test实例中获取实例方法(init)的方法签名
initSig = [@"test" methodSignatureForSelector:initSEL];
// 从NSString类中获取类方法签名
NSMethodSignature *allocSig = [NSString methodSignatureForSelector:allocSEL];

最后，NSInvocation还包含了所有的参数。至此，对于[NSString length]和[NSData length]就可以通过NSInvocation对象包含的信息，找到它们分别对应的方法实现。我们来看一个具体的例子，如下：

NSMutableSet *set = [NSMutableSet set];
NSString *stuff = @"stuff";
SEL selector = @selector(addObject:);
NSMethodSignature *sig = [set methodSignatureForSelector:selector];

NSInvocation *invocation = [NSInvocation invocationWithMethodSignature:sig];
[invocation setTarget:set];
[invocation setSelector:selector];
[invocation setArgument:&stuff atIndex:2];
[invocation invoke];

NSLog(@"set is : %@", set);

注意，第一个参数被置于索引2处，索引0是目标(self)，索引1是选择器(_cmd)，NSInvocation会自动设置它们。另外，必须把参数指针传递给参数，而不能传递参数本身。

接下来重点要介绍下消息传递是如何工作的？

在Objective-C中调用方法最终会翻译成调用方法实现的函数指针，并传递给这个方法实现一个对象指针、一个选择器和一组函数参数。每个Objective-C消息表达式都会转化为对objc_msgSend的调用，看下objc_msgSend的工作方式：

检查接受对象是否为nil，如果是nil，调用nil处理程序。
检查缓存中是不是已经有方法实现了，有的话，直接调用。
比较请求的选择器和类中定义的选择器，如果找到了，调用方法实现。
比较请求的选择器和父类中定义的选择器，然后是父类的父类，以此类推，如果找到了选择器，调用方法实现。

调用resolveInstanceMethod:(或resolveClassMethod)。如果它返回YES，那么重新开始。这一次对象会响应这个选择器，一般是因为它已经调用过class_addMethod。
调用forwardingTargetForSelector:，如果返回非nil，那就把消息发送到返回的对象上，这里不要返回self，否则会形成死循环的。

调用methodSignatureForSelector:，如果返回非nil，创建一个NSInvocation并传给forwardInvocation:。

调用doesNotRecognizeSelector:，默认的实现是抛出异常。

先看下第5步，首先可以想到的就是用resolveInstanceMethod:和resolveClassMethod:在运行时提供实现，这通常是@dynamic合成属性的处理方式。简单来说，就是需要自己实现属性的getter和setter方法，通过resolveInstanceMethod:方法来把setter方法和getter方法和属性绑定在一起。

如果第5步返回NO的话，系统接着会首先尝试一次快速转发，也就是调用forwardingTargetForSelector:，看其能否返回一个对象，如果有对象返回，就转发给返回的对象。快速转发的原理其实就是先从缓存里找下是否存在对应的选择器。

如果快速转发返回nil的话，接下来就进行普通的转发，调用forwardInvocation进行普通的转发。

objc_msgSend还有几个相关的函数：objc_msgSend_fpret、objc_msgSendSuper、objc_msgSend_stret、objc_msgSendSuper_stret。

SendSuper格式的函数很明显是把消息发送给父类，而带stret的在返回结构体时处理大部分情况。在Intel处理器上返回浮点数时，带fpret的函数处理大部分情况。

方法混写(Method Swizzling)与ISA混写(Isa Swizzling)

在Objective-C中，混写（Swizzling）是指透明地把一个东西换成另一个，我们可以利用Objective-C中的运行时来实现混写。我们先看下方法混写，Objective-C提供了以下API来动态替换类方法或实例方法的实现：

class_replaceMethod替换类方法的定义。
method_exchangeImplementations交换两个方法的实现。
method_setImplementation设置一个方法的实现。

我们来看下三者的区别：

class_replaceMethod，当需要替换的方法有可能不存在时，可以考虑使用该方法。
method_exchangeImplementations，当需要交换两个方法的实现时使用。

method_setImplementation是最简单的用法，当仅仅需要为一个方法设置其实现方式时使用。

系统中提供的KVO使用到了isa混写，具体是怎么实现的呢？当你观察一个对象时，一个新的类会被自动创建，这个新类继承自该对象的原本的类，并且重写了被观察属性setter方法。重写setter方法会负责在调用原setter方法之前和之后，通知所有观察对象：值的更改。最后通过isa混写，把这个对象的isa指针指向这个新创建的子类，对象就神奇的变成了新创建的子类的实例。

注意一点：把isa指针指向新创建的子类，被观察的对象就变成了新创建子类的对象实例，这是由于isa指针永远指向其对应的类。用一张图来说明下：

1-2 KVO.jpg

键值观察通知依赖于NSObject的两个方法：willChangeValueForKey:和didChangeValueForKey:。在一个被观察属性发生改变之前，willChangeValueForKey:一定会被调用，这就会记录旧的值。而当改变之后，didChangeValueForKey:会被调用，继而obserValueForKey:ofObject:change:context:也会被调用。可以手动实现这些调用，但很少有人这么做。一般我们希望能控制回调的调用时机时才会这么做。

使用KVO的一个明显的优势就是零开销观察的优势，如果给定的实例没有观察者，那么KVO不会有任何消耗，因为根本没有KVO代码。而即使没有观察者，对于委托方法和NSNotification还得工作。

iOS进阶：Objective-C底层原理

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