iOS的Runtime讲解与使用
一、Runtime简介
object-c是基于C语言加入了面向对象特性和消息转发机制的动态语言，除编译器之外，还需用Runtime系统来动态创建类和对象，进行消息发送和转发。
二、Runtime数据结构
在Objective-C中，使用[receiver message]语法并不会马上执行receiver对象的message方法的代码，而是向receiver发送一条message消息，这条消息可能由receiver来处理，也可能由转发给其他对象来处理，也有可能假装没有接收到这条消息而没有处理。其实[receiver message]被编译器转化为：
id objc_msgSend ( id self, SEL op, ... );
下面从两个数据结构id和SEL来逐步分析和理解Runtime有哪些重要的数据结构。
SEL
SEL是函数objc_msgSend第二个参数的数据类型，表示方法选择器，按下面路径打开objc.h文件
typedef struct objc_selector *SEL;
其实它就是映射到方法的C字符串，你可以通过Objc编译器命令@selector()或者Runtime系统的sel_registerName函数来获取一个SEL类型的方法选择器。如果你知道selector对应的方法名是什么，可以通过NSString* NSStringFromSelector(SEL aSelector)方法将SEL转化为字符串，再用NSLog打印。
id
接下来看objc_msgSend第一个参数的数据类型id，id是通用类型指针，能够表示任何对象。按下面路径打开objc.h文件：
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
id其实就是一个指向objc_object结构体指针，它包含一个Class isa成员，根据isa指针就可以顺藤摸瓜找到对象所属的类。
Class
isa指针的数据类型是Class，Class表示对象所属的类，按下面路径打开objc.h文件：
可以查看到Class其实就是一个objc_class结构体指针，但这个头文件找不到它的定义，需要在runtime.h才能找到objc_class结构体的定义。
isa表示一个Class对象的Class，也就是Meta Class。在面向对象设计中，一切都是对象，Class在设计中本身也是一个对象。我们会在objc-runtime-new.h文件找到证据，发现objc_class有以下定义：
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
......
}
由此可见，结构体objc_class也是继承objc_object，说明Class在设计中本身也是一个对象。
其实Meta Class也是一个Class，那么它也跟其他Class一样有自己的isa和super_class指针，关系如下：
super_class表示实例对象对应的父类；
name表示类名；
ivars表示多个成员变量，它指向objc_ivar_list结构体。在runtime.h可以看到它的定义：
objc_ivar_list
其实就是一个链表，存储多个objc_ivar，而objc_ivar结构体存储类的单个成员变量信息。
methodLists
表示方法列表，它指向objc_method_list结构体的二级指针，可以动态修改*methodLists的值来添加成员方法，也是Category实现原理，同样也解释Category不能添加属性的原因。在runtime.h可以看到它的定义：
同理，objc_method_list也是一个链表，存储多个objc_method，而objc_method结构体存储类的某个方法的信息。
cache用来缓存经常访问的方法，它指向objc_cache结构体，后面会重点讲到。
protocols表示类遵循哪些协议。
Method表示类中的某个方法，在runtime.h文件中找到它的定义：
其实Method就是一个指向objc_method结构体指针，它存储了方法名(method_name)、方法类型(method_types)和方法实现(method_imp)等信息。而method_imp的数据类型是IMP，它是一个函数指针，后面会重点提及。
Ivar
Ivar表示类中的实例变量，在runtime.h文件中找到它的定义：
Ivar其实就是一个指向objc_ivar结构体指针，它包含了变量名(ivar_name)、变量类型(ivar_type)等信息
IMP
在上面讲Method时就说过，IMP本质上就是一个函数指针，指向方法的实现，在objc.h找到它的定义：
当你向某个对象发送一条信息，可以由这个函数指针来指定方法的实现，它最终就会执行那段代码，这样可以绕开消息传递阶段而去执行另一个方法实现。
Cache
顾名思义，Cache主要用来缓存，那它缓存什么呢？我们先在runtime.h文件看看它的定义：
Cache其实就是一个存储Method的链表，主要是为了优化方法调用的性能。当对象receiver调用方法message时，首先根据对象receiver的isa指针查找到它对应的类，然后在类的methodLists中搜索方法，如果没有找到，就使用super_class指针到父类中的methodLists查找，一旦找到就调用方法。如果没有找到，有可能消息转发，也可能忽略它。但这样查找方式效率太低，因为往往一个类大概只有20%的方法经常被调用，占总调用次数的80%。所以使用Cache来缓存经常调用的方法，当调用方法时，优先在Cache查找，如果没有找到，再到methodLists查找。
消息发送
前面从objc_msgSend作为入口，逐步深入分析Runtime的数据结构，了解每个数据结构的作用和它们之间关系后，我们正式转入消息发送这个正题。
objc_msgSend函数
在前面已经提过，当某个对象使用语法[receiver message]来调用某个方法时，其实[receiver message]被编译器转化为：
id objc_msgSend ( id self, SEL op, ... );
首先根据receiver对象的isa指针获取它对应的class；
优先在class的cache查找message方法，如果找不到，再到methodLists查找；
如果没有在class找到，再到super_class查找；
一旦找到message这个方法，就执行它实现的IMP。
self与super
为了让大家更好地理解self和super，借用sunnyxx博客的iOS程序员6级考试一道题目：下面的代码分别输出什么？
@implementation Son : Father
- (id)init
{
self = [super init];
if (self)
{
NSLog(@"%@", NSStringFromClass([self class]));
NSLog(@"%@", NSStringFromClass([super class]));
}
return self;
}
@end
self表示当前这个类的对象，而super是一个编译器标示符，和self指向同一个消息接受者。在本例中，无论是[self class]还是[super class]，接受消息者都是Son对象，但super与self不同的是，self调用class方法时，是在子类Son中查找方法，而super调用class方法时，是在父类Father中查找方法。
当调用[self class]方法时，会转化为objc_msgSend函数，这个函数定义如下：
id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)
这时会从当前Son类的方法列表中查找，如果没有，就到Father类查找，还是没有，最后在NSObject类查找到。我们可以从NSObject.mm文件中看到- (Class)class的实现：
- (Class)class {
return object_getClass(self);
}
所以NSLog(@"%@", NSStringFromClass([self class]));会输出Son。
当调用[super class]方法时，会转化为objc_msgSendSuper，这个函数定义如下：
id objc_msgSendSuper(struct objc_super *super, SEL op, ...)
objc_msgSendSuper函数第一个参数super的数据类型是一个指向objc_super的结构体，从message.h文件中查看它的定义：
/// Specifies the superclass of an instance.
struct objc_super {
/// Specifies an instance of a class.
__unsafe_unretained id receiver;
/// Specifies the particular superclass of the instance to message.
#if !defined(__cplusplus) && !__OBJC2__
/* For compatibility with old objc-runtime.h header */
__unsafe_unretained Class class;
#else
__unsafe_unretained Class super_class;
#endif
/* super_class is the first class to search */
};
#endif
结构体包含两个成员，第一个是receiver，表示某个类的实例。第二个是super_class表示当前类的父类。
这时首先会构造出objc_super结构体，这个结构体第一个成员是self，第二个成员是(id)class_getSuperclass(objc_getClass("Son"))，实际上该函数会输出Father。然后在Father类查找class方法，查找不到，最后在NSObject查到。此时，内部使用objc_msgSend(objc_super->receiver, @selector(class))去调用，与[self class]调用相同，所以结果还是Son。
三、使用示例
1、方法继承
@interface CFURL : NSURL
+(instancetype)CFURLWithString:(NSString *)string;
@end
#import "CFURL.h"
@implementation CFURL
+(instancetype)CFURLWithString:(NSString *)string{
CFURL *url = [super URLWithString:string];
if (url == nil) {
NSLog(@"url为空");
}
return url;
}
@end
//扩展分类
@interface NSURL (url)
+(instancetype)CF_URLWithStr:(NSString *)URLString;
@end
2、方法交换
Git下载：https://github.com/gaoguangxiao/RuntimeMCDemo
#import "NSURL+url.h"
#import@implementation NSURL (url)
+(void)load{
//最早的方法，比main还早
NSLog(@"load");
//1.拿到两个Method
//2.进行方法交换
Method m1 = class_getClassMethod([NSURL class], @selector(URLWithString:));
Method m2 = class_getClassMethod([NSURL class], @selector(CF_URLWithStr:));
//利用runtime进行方法的交换
method_exchangeImplementations(m1, m2);
}
+(instancetype)CF_URLWithStr:(NSString *)URLString{
//交换了两个方法
NSURL *url = [NSURL CF_URLWithStr:URLString];//注意这里不能再调用系统的方法
if (!url) {
NSLog(@"url为空");
}
return url;
}
@end
3、分类扩展属性
//.h文件#import"NSObject.h"
@interfaceNSObject(Property)//
@property在分类中只会生成set、get方法的声明 不会生成实现，也不会生成_成员属性@property(nonatomic,copy)NSStringname;
@end-----------------------------------------------
//.m文件
// 定义关联的key
static const char*key ="name";
@implementation NSObject
(Property)
- (NSString*)name{
// 根据关联的key，获取关联的值。
return objc_getAssociatedObject(self, key);
}
- (void)setName:(NSString*)name{/*
第一个参数：给哪个对象添加关联
第二个参数：关联的key，通过这个key获取
第三个参数：关联的value
第四个参数:关联的策略
*/objc_setAssociatedObject(self, key, name, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}@end
4、修改私有类属性
//按钮标题的字体颜色
-(void)setTextColor:(UIColor *)textColor
{
_textColor = textColor;
unsignedintcount = 0;
Ivar *ivars = class_copyIvarList([UIAlertAction class], &count);
for(inti =0;i < count;i ++){
Ivar ivar = ivars[i];
NSString *ivarName = [NSString stringWithCString:ivar_getName(ivar) encoding:NSUTF8StringEncoding];
if([ivarName isEqualToString:@"_titleTextColor"]) {
[self setValue:textColor forKey:@"titleTextColor"];
}
}
}
四、参考网址
