RunTime

2018-03-19 本文已影响16人 iChuck

runtime 是什么？

runtime 又叫做运行时，是一套底层的 C 语言API，其为 iOS 内部的核心之一，我们平时编写 oc代码，底层都是基于它来实现的。比如

[receiver message]
// 底层运行时会被编译器转化为：
objc_msgSend(receiver, message);

// 有参数的
[receiver message:(id)arg...];

objc_msgSend(receiver, seletor, arg1, arg2, ...);

为什么需要 runtime

oc 是一门动态语言，它会将一些工作放在代码运行时才处理并非编译时。也就是说，有很多类和成员变量在我们编译的时候是不知道的，而在运行时，我们编写的代码才会被转换成完整的确定的代码运行。
因此，编译器是不够的，我们还需要一个运行时系统（runtime system）来处理编译后的代码。
runtime 基本是用 c 和汇编写成的，由此可见苹果为了动态系统的高效做出的努力。苹果的 GNU 各自维护一个开源的 runtime 版本，这两个版本之间都在努力保持一致。

runtime 的作用

oc 在3个层面上与 runtime 系统进行交互：
通过 oc 源码，只要需要 oc 代码，runtime 系统自动在幕后搞定一切，调用方法，编译器会将 oc 代码转化成运行时代码，在运行时确定数据结构和函数。
通过 Foundation 框架的 NSObject 类定义方法。cocoa程序中绝大多数都是 NSObject 的子类，所有都继承了 NSObject 的行为。（NSProxy 类是个例外，它是一个抽象类）。
- 一些情况下 NSObject 类仅仅定义了完成某件事情的模板，并没有提供所需要的代码。例如：- description 方法，该类方法返回类内容的字符串表示，该方法主要用来调试程序。NSObject 类并不知道子类的内容，所以它只是返回类的名字和对象的地址，NSObject 的子类可以重新实现。
- 还有一些 NSObject 的方法可以通过 runtime 系统中获取信息，允许对象进行自我检查。例如：
  - -class 方法返回对象的类：
  - -isKindOfClass：和-IsMemberOfClass：方法检查对象是否存在指定的类的继承体系中（是否是其子类或者父类或者当前类的成员变量）
  - -respondsToSelector：检查对象是否响应指定的消息
  - -conformsToProtocol：检查对象是否实现了指定协议类的方法
  - -methodForSelector：返回指定方法实现的地址
通过对 Runtime 库函数的直接调用
- runtime 系统是具有公共接口的动态共享库。
- 许多函数可以让你使用纯 C 代码实现 objc 同样的功能。除非是写一些 objc 与其他语言桥接或者底层的 debug 工作，你在写 objc 代码时一般不会用到这些 c 语言函数。

runtime 的相关术语

SEL
- 它是selector 在 objc 中的表示。selector 是方法选择器，其实作用和名字一样，日常生活中，我们通过人名辨别谁是谁，注意 objc 在相同的类中不会有命名相同的两个方法。selector 对方法进行包装，以便找到对应的方法实现。他的数据结构是：typedef struct objc_selector *SEL; 我们可以看出它是一个映射到方法 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。
- 注意：不同类中相同名字的方法对应的 selector 是相同的，由于变量类型不同，所以不会导致他们调用方法实现混乱。
id
- id 是一个参数类型，他是指向某个类的实例指针。定义如下：
```
typedef struct objc_object *id;
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
```
- 以上定义，看到 objc_object 结构体包含一个 isa 指针，根据 isa 指针就可以找到对应所属的类。
- 注意：isa 指针在代码运行时并不总指向实例对象所属的类型，所以不能依靠它来确定类型，要响确定类型还是需要用对象的 -class 方法。PS：KVO 的实现原理就是将被观察对象的 isa 指针指向一个中间类而不是真实类型。
Class
- typedef struct objc_class *Class;
- class 其实是指向 objc_class 的结构体的指针。objc_class 的数据结构如下
```
struct objc_class {
Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;、
```
- 从 objc_class 可以看出，一个运行时类中关联了它的父类指针、类名、成员变量、方法、缓存以及附属协议。
- 其中 objc_ivar_list 和 objc_method_list 分别是成员变量列表和方法列表：
```
// objc_ivar_list 的实现

struct objc_ivar_list {
    int ivar_count                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_ivar ivar_list[1]                            OBJC2_UNAVAILABLE;
}   
  // objc_method_list的实现

struct objc_method_list {
    struct objc_method_list * _Nullable 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;
}    
```
- 由此可见，我们可以动态修改 *methodList 的值来添加成员方法，这也是 category 实现的原理，同样解释了 Category 不能添加属性的原因
- objc_ivar_list 结构体用来存储成员变量的列表，而 objc_ivar则是存储了单个成员变量的信息；同理，objc_method_list 结构体存储着方法数组的列表，而单个方法信息由 objc_method 结构体存储。
- 值得注意的是，objc_class 中也有一个 isa 指针，这说明 objc 类本身也是一个对象。为了处理类和对象的关系，runtime 库创建一个叫做 Meta Class（元类）的东西，类对象所属的类叫做元类。meta Class 表述了对象本身所具备的元数据。
- 我们所熟悉的类方法，就源自于 meta Class。我们可以理解为类方法就是类对象的实例方法。每个类仅有一个类对象，而每个类对象仅有一个与之相关的元类。
- 当你发出一个类似[NSObject alloc]（类方法）消息时，实际上，这个消息被发送给一个类对象（Class object），这个类对象丙戌是一个元类的实例，而这个元类同时也是一个根元类（root meta Class）的实例。所有元类的 isa 指针最终都指向根元类。
- 所以当[NSObject alloc];这条消息发送给类对象的时候，运行时代码 objc_msgSend()会去元类中查找能够响应的方法实现，如果找到了，就会对这个类对象执行方法调用。
- 最后 objc_class 中还有一个 objc_cahce，缓存。

method

method 代表类中某个方法的类型

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nullable method_types                            OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP _Nonnull method_imp                                  OBJC2_UNAVAILABLE;
 }

方法类型是 SEL
方法类型 method_types 是一个char 指针，存储方法的参数类型和返回值类型
method_imp 指向了方法实现，本质是一个函数指针
Ivar 是表示成员变量的类型。

struct objc_ivar {
    char * _Nullable ivar_name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nullable ivar_type                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    int ivar_offset                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}

其中 ivar_offset 是基地址便宜字节

IMP
- IMP 在 objc.h 中定义的是
```
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
```
- 他是一个函数指针，这是由编译器生成的。当你发起一个 objc 消息之后，最终他会执行哪段代码，就是由这个函数指针制定的。而 IMP 这个函数指针就指向了这个方法的实现。
- 如果得到了执行某个实例某个方法的入口，我们就可以绕开消息传递阶段，直接执行方法。
- 你会发现 IMP 指向的方法与 objc_msgSend 函数类型相同，参数都包含了 id 和 SEL 类型。每个方法名都对应一个 SEL 类型的方法选择器，而每个实例中的 SEL 对应的方法实现肯定是唯一的，通过一组 id 和 SEL 参数就能确定唯一的方法实现地址。
- 而一个确定方法也只有唯一一组 id 和 SEL 参数。
cache
- 定义如下
```
typedef struct objc_cache *Cache                             OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    unsigned int occupied                                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    Method _Nullable buckets[1]                              OBJC2_UNAVAILABLE;
};
```
- cache 为方法调用的性能进行了优化，每当实例对象接收一个消息时，它不会直接在 isa 指针指向的类的方法类别中遍历查找能够响应的方法，因为每次都要查找的效率太低了，而是优先在 cache 中找。
- runtime 系统会吧调用到的方法 cache 中，如果一个方法被调用，那么他有可能今后还会被调用，下次查找的时候就会效率更高。就像计算机组成原理中 CPU 绕过主存先访问 cache 一样。

property

typedef struct objc_property *objc_property_t;

可以通过 class_copyPropertyList 和 protocol_copyPropertyList 方法获取类和协议中的属性

OBJC_EXPORT objc_property_t _Nonnull * _Nullable
    class_copyPropertyList(Class _Nullable cls, unsigned int * _Nullable outCount)
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

  OBJC_EXPORT objc_property_t _Nonnull * _Nullable
    protocol_copyPropertyList(Protocol * _Nonnull proto,
                      unsigned int * _Nullable outCount)
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

返回的是属性列表，列表中的每个元素都是一个 objc_property_t 指针

@interface Person ()

@property (nonatomic, strong) NSString *name;
@property (nonatomic, assign) int age;
@property (nonatomic, assign) double weight;

@end

// 写 person 添加3个属性。通过 runtime 获取运行时属性。

unsigned int outCount = 0;
    
objc_property_t *properties = class_copyPropertyList([Person class], &outCount);
    
NSLog(@"%d", outCount);
    
for (NSInteger i = 0; i < outCount; ++i) {
    NSString *name = @(property_getName(properties[i]));
    NSString *attributes = @(property_getAttributes(properties[i]));
    NSLog(@"name:%@\nattributes:%@", name, attributes);
}

[10522:615669] 4
[10522:615669] name:name
attributes:T@"NSString",&,N,V_name
[10522:615669] name:age
attributes:Ti,N,V_age
[10522:615669] name:weight
attributes:Td,N,V_weight

runtime 与消息

消息知道运行时才会与方法实现进行绑定。
objc_msgSend 方法看起来好像返回了数据，其实 objc_msgSend 从不返回数据，而是你的方法在运行时实现被调用后才会返回数据。消息发送步骤：
- 首先你要检测 selector 是不是要忽略。mac 开发有了垃圾回收旧不理会 retain、release 这些函数。
- 检测这个 selector 的 target 是不是 nil。objc 允许我们对一个 nil 对象执行任何方法不会 crash，因为运行时会被忽略掉。
- 如果上面两步都通过了，那么就开始查找这个类的实现 IMP，先从 cache 中找，如果找到了就运行对应的函数去执行相应的代码。
- 如果 cache 找不到就找类的方法列表中是否有对应的方法。
- 如果累的方法列表中找不到就到父类的方法列表中找，一直找到 NSObject 类为止。
- 如果还没找到，就要开始进入动态方法解析了。
在消息传递中，编译器会根据情况在 objc_msgSend，objc_msgSend_stret，objc_msgSendSuper，objc_msgSendSuper——stret 这个四个方法中选择一个调用。如果消息传递给父类，那么会调用名字带有 Super 的函数，如果消息返回值是数据结构而不是简单值时，会调用带有 stret 的函数。

方法中的隐藏参数

疑问：我们经常用到关键字 self，但是 self 是如何获取当前方法的对象的呢？其实这也是 runtime 系统的作用，self 是在方法运行时被动态传入的。
当 objc_msgSend 找到方法对应实现时，他将直接调用该方法实现，并将消息中所有参数都传递给方法实现，同时还有两个隐藏参数：
- 接受消息的对象（self 所指向的内容，当前方法的对象指针）
- 方法选择器（_cmd 指向的内容，当前指针的 SEL 指针）
- 因为在源代码方法的定义中，我们并没有发现这两个参数的声明。它们实在代码编译阶段被插入方法实现中的。尽管这些参数没有被明确声明，在源码中我们仍然可以引用它们。
- 这两个参数中，self 更实用。他是在方法实现中访问消息接收者对象的实例变量的途径。
这时我们会想到另一个关键字 Super，实际上 Super 关键字接收消息时，编译器会创建一个 objc_super 结构体

消息转发

重定向
- 消息转发机制执行前，runtime 系统允许我们替换消息的接收者为其他对象。通过- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector 方法。
- 如果返回为 nil 或者 self，则会计入消息转发机制（forwardInvocation：），否则向返回的对象重新发送消息。
转发
- 当动态方法解析不做处理返回 NO 时，则会触发消息转发机制。

动态绑定

在运行时确定要调用的方法，动态绑定将调用方法的确定也推迟到运行时。在编译
时，方法的调用并不和代码绑定在一起，只有在消实发送出来之后，才确定被调用的
代码。通过动态类型和动态绑定技术，代码每次执行都可以得到不同的结果。运行时
因子负责确定消息的接收者和被调用的方法。运行时的消息分发机制为动态绑定提供
支持。当向一个动态类型确定了的对象发送消息时，运行环境系统会通过接收者的isa
指针定位对象的类，并以此为起点确定被调用的方法，方法和消息是动态绑定的。而
且，不必在0bjective-C 代码中做任何工作，就可以自动获取动态绑定的好处。在每次发送消息时，特别是当消息的接收者是动态类型已经确定的对象时，动态绑定就会例行而透明地发生

RunTime

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