Objective-C Runtime技术调研(一)

一、Objective-C Runtime到底是什么东西？

简而言之，Objective-C Runtime是一个将C语言转化为面向对象语言的扩展。

我们将C++和Objective进行对比，虽然C++和Objective-C都是在C的基础上加入面向对象的特性扩充而成的程序设计语言，但二者实现的机制差异很大。C++是基于静态类型，而Objective-C是基于动态运行时类型。也就是说用C++编写的程序编译时就直接编译成了可令机器读懂的机器语言；用Objective-C编写的程序不能直接编译成可令机器读懂的机器语言，而是在程序运行的时候，通过Runtime把程序转为可令机器读懂的机器语言。也就是说用C++编写的程序通过编译器直接把函数地址硬编码进入可执行文件；而Objective-C无法通过编译器直接把函数地址硬编码进入可执行文件，而是在程序运行的时候，利用Runtime根据条件判断作出决定。函数标识与函数过程的真正内容之间的关联可以动态修改。Runtime是Objective不可缺少的重要一部分。

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二、Objective-C的元素认知

2.1 id和Class

打开/Public Headers/objc.h文件可以看到如下定义：

#if!OBJC_TYPES_DEFINED/// An opaque type that represents an Objective-C class.typedefstructobjc_class*Class;/// Represents an instance of a class.structobjc_object{Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;};/// A pointer to an instance of a class.typedefstructobjc_object*id;#endif

Class是一个指向objc_class结构体的指针，而id是一个指向objc_object结构体的指针，其中的isa是一个指向objc_class结构体的指针。其中的id就是我们所说的对象，Class就是我们所说的类。

打开/Public Headers/runtime.h文件

objc_class的定义如下：

typedef struct objc_class *Class;

structobjc_class{

Class isa                                OBJC_ISA_AVAILABILITY;// metaclass

#if!__OBJC2__

Class super_class                        OBJC2_UNAVAILABLE;// 父类

constchar*name                          OBJC2_UNAVAILABLE;// 类名

long version                              OBJC2_UNAVAILABLE;// 类的版本信息，默认为0，可以通过runtime函数class_setVersion或者class_getVersion进行修改、读取

long info                                OBJC2_UNAVAILABLE;// 类信息，供运行时期使用的一些位标识，如CLS_CLASS (0x1L) 表示该类为普通 class，其中包含实例方法和变量;CLS_META (0x2L) 表示该类为 metaclass，其中包含类方法;

long instance_size                        OBJC2_UNAVAILABLE;// 该类的实例变量大小（包括从父类继承下来的实例变量）

struct objc_ivar_list*ivars              OBJC2_UNAVAILABLE;// 该类的成员变量地址列表

struct objc_method_list**methodLists    OBJC2_UNAVAILABLE;// 方法地址列表，与 info 的一些标志位有关，如CLS_CLASS (0x1L)，则存储实例方法，如CLS_META (0x2L)，则存储类方法;

struct objc_cache*cache                  OBJC2_UNAVAILABLE;// 缓存最近使用的方法地址，用于提升效率；

struct objc_protocol_list*protocols      OBJC2_UNAVAILABLE;// 存储该类声明遵守的协议的列表

#endif

}

/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

由以上代码可见，类与对象的区别就是类比对象多了很多特征成员，�类也可以当做一个objc_object来对待，也就是说类和对象都是对象，分别称作类对象（class object）和实例对象（instance object），这样我们就可以区别对象和类了。

isa：objc_object（实例对象）中isa指针指向的类结构称为class（也就是该对象所属的类）其中存放着普通成员变量与动态方法（“-”开头的方法）；此处isa指针指向的类结构称为metaclass，其中存放着static类型的成员变量与static类型的方法（“+”开头的方法）。

super_class： 指向该类的父类的指针，如果该类是根类（如NSObject或NSProxy），那么super_class就为nil。

类与对象的继承层次关系如图（图片源自网络）：

所有的metaclass中isa指针都是指向根metaclass，而根metaclass则指向自身。根metaclass是通过继承根类产生的，与根class结构体成员一致，不同的是根metaclass的isa指针指向自身。

2.2 SEL

SEL是selector在Objective-C中的表示类型。selector可以理解为区别方法的ID。

typedef struct objc_selector *SEL;

objc_selector的定义如下：

struct objc_selector{

char*name;OBJC2_UNAVAILABLE;// 名称

char*types;OBJC2_UNAVAILABLE;// 类型

};

name和types都是char类型。

2.3 IMP

终于到IMP了，它在objc.h中得定义如下：

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

IMP是“implementation”的缩写，它是由编译器生成的一个函数指针。当你发起一个消息后（下文介绍），这个函数指针决定了最终执行哪段代码。

2.4 Method

Method代表类中的某个方法的类型。

typedef struct objc_method *Method;

objc_method的定义如下：

struct objc_method{

SEL method_name                  OBJC2_UNAVAILABLE;// 方法名

char*method_types                OBJC2_UNAVAILABLE;// 方法类型

IMP method_imp                    OBJC2_UNAVAILABLE;// 方法实现

}

方法名method_name类型为SEL，上文提到过。

方法类型method_types是一个char指针，存储着方法的参数类型和返回值类型。

方法实现method_imp的类型为IMP，上文提到过。

2.5 Ivar

Ivar代表类中实例变量的类型

typedef struct objc_ivar *Ivar;

objc_ivar的定义如下：

struct objc_ivar{

char*ivar_name                  OBJC2_UNAVAILABLE;// 变量名

char*ivar_type                  OBJC2_UNAVAILABLE;// 变量类型

intivar_offset                  OBJC2_UNAVAILABLE;// �基地址偏移字节

#ifdef __LP64__

   intspace                        OBJC2_UNAVAILABLE;// 占用空间

#endif

}

2.6 objc_property_t

objc_property_t是属性，它的定义如下：

typedef struct objc_property *objc_property_t;

objc_property是内置的类型，与之关联的还有一个objc_property_attribute_t，它是属性的attribute，也就是其实是对属性的详细描述，包括属性名称、属性编码类型、原子类型/非原子类型等。它的定义如下：

typedef struct{

constchar*name;// 名称

constchar*value;// 值（通常是空的）

}objc_property_attribute_t;

2.7 Cache

Catch的定义如下：

typedef struct objc_cache *Cache

objc_cache的定义如下：

struct objc_cache{

unsigned int mask                  OBJC2_UNAVAILABLE;

unsigned int occupied           OBJC2_UNAVAILABLE;

Method buckets[1]                 OBJC2_UNAVAILABLE;

};

mask: 指定分配cache buckets的总数。在方法查找中，Runtime使用这个字段确定数组的索引位置。

occupied: 实际占用cache buckets的总数。

buckets: 指定Method数据结构指针的数组。这个数组可能包含不超过mask+1个元素。需要注意的是，指针可能是NULL，表示这个缓存bucket没有被占用，另外被占用的bucket可能是不连续的。这个数组可能会随着时间而增长。

objc_msgSend（下文讲解）每调用一次方法后，就会把该方法缓存到cache列表中，下次的时候，就直接优先从cache列表中寻找，如果cache没有，才从methodLists中查找方法。

2.8 Catagory

这个就是我们平时所说的类别了，很熟悉吧。它可以动态的为已存在的类添加新的方法。

它的定义如下：

typedef struct objc_category *Category;

objc_category的定义如下：

struct objc_category{

char*category_name                          OBJC2_UNAVAILABLE;// 类别名称char*class_name                              OBJC2_UNAVAILABLE;// 类名

struct objc_method_list*instance_methods    OBJC2_UNAVAILABLE;// 实例方法列表

struct objc_method_list*class_methods        OBJC2_UNAVAILABLE;// 类方法列表struct objc_protocol_list*protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;// 协议列表

}

因为是入门，以上就列举这些吧！