Objective-C 小记（1）Messaging
众所周知，在 Objective-C 中，如下的消息发送
[receiver message];
会被编译器转换为
objc_msgSend(receiver, @selector(message));
这样，实际的函数调用在运行时（runtime）才能确定，即所谓的动态绑定。
要了解 objc_msgSend 的具体实现，需要先了解 Objective-C 运行时中对象，类和方法的实现以及它们的关系。
对象
在 Objective-C 中，有一个类型 id，用来表示指向对象的指针，它的定义能在 Objective-C 运行时的公开头文件 objc.h 中找到
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
显然 objc_object 结构体就是 Objective-C 运行时中用来表示对象的数据结构了，它的定义也能在 objc.h 中看到
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
Class 类型代表的肯定是类，isa 这个名字也很直观（is a some class）。因为结构体只是一个内存排布的约定，所以任何第一个成员是 Class 类型的结构体都可以视作为对象。
类和元类
在 objc.h 中，可以看到 Class 的定义
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;
所以 Class 准确来说是指向类的指针，而 objc_class 结构体就是类真正的实现了。在公开头文件 runtime.h 中，可以看到 objc_class 结构体的定义
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;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */
注意到 objc_class 结构体的第一个成员也是 Class isa，这样它也能被当作是一个对象。接下来是 Class super_class，用来指向父类。再者可以看到 objc_class 结构体有一个叫 methodLists 的成员，用来存放类的实例方法。
现在就有了两个问题，类的 isa 指向什么？类的类方法存放在哪里呢？这两个问题的答案都是「元类（meta-class）」。
每个类都有一个对应的元类，类的 isa 指向其对应的元类，对应的元类中存放着类的类方法。显然又有了新的问题，元类的类型也是 Class，那它的 isa 和 super_class 指向哪里呢？元类的 super_class 很自然的指向其对应类的父类的元类，而 isa 则指向「根类（root class）」所对应的元类。
这篇文章对元类做了非常好的解释，并且有一张很好的对对象、类和元类关系的图示
class diagram.jpg
可以看到，根类的 super_class 指向 nil，根类对应的元类的 super_class 指向根类。
方法
在 objc_class 结构体中可以看到存放方法的成员类型是 objc_method_list，它的定义能在 runtime.h 中找到
struct objc_method_list {
struct objc_method_list *obsolete OBJC2_UNAVAILABLE;
int method_count OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
/* variable length structure */
struct objc_method method_list[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
} OBJC2_UNAVAILABLE;
很显然，objc_method 结构体就是表示方法的数据结构，runtime.h 中对 Method 类型的定义也证明了这点
/// An opaque type that represents a method in a class definition.
typedef struct objc_method *Method;
同样在 runtime.h 中，可以找到 objc_method 结构体的定义
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE;
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;
} OBJC2_UNAVAILABLE;
其中 SEL 的定义可以在 objc.h 中找到
/// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;
实际上，objc_selector 结构体根本就没有实现，这里就是它唯一存在的地方了。所以 SEL 可以看作是 void *。
method_types 这个成员是方法的编码，具体的规则在官方文档里有一些说明。
IMP 在 objc.h 中的定义是这个样子的
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);
所以 IMP 其实是一个函数指针，第一个参数是一个对象，第二个参数是一个方法名。这两个参数其实就对应着 self 和 _cmd。
这么看来，方法的表示还是很清晰的，就是方法名、方法的类型和具体实现。
消息发送
首先看一下公开头文件 message.h 中 objc_msgSend 的声明
id objc_msgSend(id self, SEL _cmd, ...);
然后可以继续 objc_msgSend 函数的大概逻辑了：
- 检查
self是否为nil，是的话直接返回nil，这就是为什么可以给nil发消息； - 通过
self的isa获取到类（或元类）； - 使用
_cmd在类（或元类）的方法中进行查找，没有找到的话，通过类（或元类）的super_class继续查找； - 找到了对应的方法，调用其
IMP； - 没有找到对应的方法，进入动态方法解析甚至之后的消息转发过程。
每次都要查找，对一个会被调用成千上万次的函数来说，开销实在是太大了。所以就要给它加上缓存，也就是 objc_class 结构体中的 struct objc_cache *cache。可以在 runtime.h 中看到 objc_cache 结构体的信息
typedef struct objc_cache *Cache OBJC2_UNAVAILABLE;
#define CACHE_BUCKET_NAME(B) ((B)->method_name)
#define CACHE_BUCKET_IMP(B) ((B)->method_imp)
#define CACHE_BUCKET_VALID(B) (B)
#ifndef __LP64__
#define CACHE_HASH(sel, mask) (((uintptr_t)(sel)>>2) & (mask))
#else
#define CACHE_HASH(sel, mask) (((unsigned int)((uintptr_t)(sel)>>3)) & (mask))
#endif
struct objc_cache {
unsigned int mask /* total = mask + 1 */ OBJC2_UNAVAILABLE;
unsigned int occupied OBJC2_UNAVAILABLE;
Method buckets[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
};
所以 objc_msgSend 加上缓存的逻辑后：
- 检查
self是否为nil，是的话直接返回nil； - 检查缓存中是否有对应的
_cmd，有的话，调用其IMP并返回； - 缓存未命中，通过
self的isa获取到类（或元类）； - 使用
_cmd在类（或元类）的方法中进行查找，没有找到的话，通过类（或元类）的super_class继续查找； - 找到了对应的方法，将其存入缓存，调用其
IMP； - 没有找到对应的方法，进入动态方法解析甚至之后的消息转发过程。
总结
知道了 Objective-C 中对象和类是如何表示和关联后，objc_msgSend 的原理和逻辑还是比较清晰的。之所以 Objective-C 中对象和类是如此表示，其实是一开始是受到 Smalltalk 的影响，很多东西都是直接照搬过来（甚至消息发送的语法，nil 等）。
上面的代码中都可以看到 OBJC2_UNAVAILABLE 这个宏，宏如其名，标上这个宏的东西其实是在 Objective-C 2.0 也就是我们现在所使用的 Objective-C 中，是过时的。现在的实现在细节方面已经有了较大的变化，但整体的思路并没有改变，所以这篇文章中的逻辑在现在的实现中并没有改变。
