聊聊Runtime的objc_mesgSend
* author：conowen@大钟
* E-mail：conowen@hotmail.com
1、前言
上一篇博文简单聊了一下runtime的基本概念，能干嘛，通过一个小demo来简单说了一下runtime的用处，以下还是以这个demo来聊聊。
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
NSString *str0 = [NSString stringWithFormat:@"%@",@"conowen"];
NSLog(@"length = %lu",[str0 length]);
NSString *str = ((NSString *(*)(id, SEL, NSString *, ...))(voidvoid *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSString"), sel_registerName("stringWithFormat:"),@"%@", @"conowen");
NSLog(@"length = %lu",((NSUInteger (*)(id, SEL))(voidvoid *)objc_msgSend)((id)str, sel_registerName("length")));
}
2、objc_msgSend 函数详解
objc_msgSend 函数原形为
OBJC_EXPORT id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)//后面省略号表示若干个参数，可有可无
上述的[str0 length]会被转换为objc_msgSend(str0,@selector(length));
同样的还有以下：
objc_msgSend_stret当发送的消息要返回的是结构体类型时
objc_msgSend_fpret当发送的消息要返回的是浮点数时
objc_msgSendSuper 如果要给超类（父类）发消息，就用这个函数处理
同理，还有objc_msgSendSuper_stret和objc_msgSendSuper_fpret。通常来说，编译器会根据实际情况，动态地调用这个几个方法中的一个，还有需要明确一点的是，objc_msgSend这个函数并没有返回数据，而是调用相对应的方法所返回来的数据。
3、objc_msgSend流程
说流程之前，我们先来看看这个函数里面的参数是什么，消息接收者id是一个指向任意对象的类型，而选择子SEL可以理解指向任意方法的类型，同id。
3.1、id
在objc.h可以看到以下定义
// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;
然后再查看objc_object的定义如下，表示这是一个类的对象，这个结构体中只包含一个Class类型的isa指针（isa的缩写是 is a，可以理解为：This object "objectA"is a object of Class A，这个对象是一个A类的对象。），所以根据这个isa指针就能找到这个对象所属的类。
（引申：在objc里面，任何对象其实都是C语言里面的结构体）
//Represents an instance of a class.
struct objc_object {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
而Class的定义如下，之所以说isa是指针，是因为Class指向的是objc_class类型的指针。
// An opaque type that represents an Objective-C class. typedef struct objc_class *Class;
而objc_class的定义如下，其中!OBJC2表示非Object c 2.0的版本，Object c是从1.0发展到现在的2.0，这个声明是为了兼容1.0的Object c，若是Object c 2.0的话，可见objc_class与objc_object的定义是一样的，都是只有一个isa指针，所以说在Object c里面，类也是一个对象。关于Object c的类与对象关系，将在下一篇博文详细说明。
struct objc_class {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
Class super_class OBJC2_UNAVAILABLE;
const charchar *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 *` */
虽然上面的定义包含了非Object c 2.0，但是我们还是可以详细说说，这个结构体包含的这些个玩意到底是啥。
从上往下可包含了父类指针，类名，类的版本信息，类的信息，类的实例大小，类的成员变量，类的方法表，类的方法缓存表，还有类的协议。
3.2、category 增加成员变量
注意一点：可以看到这个结构体里面有包含instance_size这个变量，表示类的实例变量大小，当实例化一个类的时候，指的是开辟一块内存区域，这块内存区域包含了isa指针与类的所有成员变量，也就是说当实例化一个类时，内存已经布局好了，当然不允许你直接增加成员变量，虽然不能直接增加成员变量，但是可以通过以下方法添加：
/**
* Sets an associated value for a given object using a given key and association policy.
*
* @param object The source object for the association.
* @param key The key for the association.
* @param value The value to associate with the key key for object. Pass nil to clear an existing association.
* @param policy The policy for the association. For possible values, see “Associative Object Behaviors.”
*
* @see objc_setAssociatedObject
* @see objc_removeAssociatedObjects
*/
OBJC_EXPORT void objc_setAssociatedObject(id object, const voidvoid *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
__OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_1);
/**
* Returns the value associated with a given object for a given key.
*
* @param object The source object for the association.
* @param key The key for the association.
*
* @return The value associated with the key \e key for \e object.
*
* @see objc_setAssociatedObject
*/
OBJC_EXPORT id objc_getAssociatedObject(id object, const voidvoid *key)
__OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_1);
/**
* Removes all associations for a given object.
*
* @param object An object that maintains associated objects.
*
* @note The main purpose of this function is to make it easy to return an object
* to a "pristine state”. You should not use this function for general removal of
* associations from objects, since it also removes associations that other clients
* may have added to the object. Typically you should use \c objc_setAssociatedObject
* with a nil value to clear an association.
*
* @see objc_setAssociatedObject
* @see objc_getAssociatedObject
*/
OBJC_EXPORT void objc_removeAssociatedObjects(id object)
__OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_1);
3.3、category 增加成员方法
那为何又可以增加类方法呢（category），我们可以观察到struct objc_method_list **methodLists这是一个指向objc_method_list的二级指针（指向指针的指针，因为指针也是一个变量，本身也要存储在内存中。）这就为什么方法列表为什么能增加的原因，因为objc_class存储是方法列表地址的地址，而指向的这些方法所需要的内存空间并没有在rumtime就布局好了，所以就不担心category增加方法的时候会影响类实例的内存布局。
附上objc_ivar_list与objc_method_list的定义
struct objc_ivar {
charchar *ivar_name OBJC2_UNAVAILABLE;
charchar *ivar_type OBJC2_UNAVAILABLE;
int ivar_offset OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
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;
} OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
charchar *method_types OBJC2_UNAVAILABLE;
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;
} OBJC2_UNAVAILABLE;
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;
}
3.4、IMP是什么
以上主要的可以关注objc_method结构体里面的IMP类型，在objc.h头文件中定义如下
/// A pointer to the function of a method implementation.
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ );
#else
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);
#endif
简单来说，IMP（implement）是一个函数指针，指向了方法的具体实现。实际的应用场景是这样的，当你写了Object c代码，如[NSString alloc]的时候，在运行时转换为objc_mesgSend函数形式，最终这个alloc消息最终会执行什么代码，是有IMP来决定的，IMP直接指向了方法的实现。这样就会很有趣了，应该可以直接操作方法的入口，那不就是可以更改替换系统方法，这种技术被称为“方法调配”（method swizzling）。原理就是让IMP指针本来指向改到其他方法实现那里去。
3.5、指针函数与函数指针
引申：指针函数与函数指针的区别
- a、指针函数
表示函数返回值是一个指针类型，定义如下
//类型标识符 *函数名(参数表)
intint *fun(x，y);
- b、函数指针
表示指向这个函数的指针变量，定义如下
类型标识符 (*函数名)(参数表)
int (*fun) (int x,y); //函数名前面有一个星号，然后用小括号包起来
fun=funTest; /* 将funTest函数的首地址赋给指针
3.6、objc_class的cache是什么
我们在rumtime.h头文件可以看到它的定义如下
struct objc_cache {
unsigned int mask /* total = mask + 1 */ OBJC2_UNAVAILABLE;
unsigned int occupied OBJC2_UNAVAILABLE;
Method buckets[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
};
如果知道CPU的L1 cache和L2 cache，就大概知道这玩意设计有什么作用了。摘自某度百科的解说
“L1 cache（一级缓存）主要将CPU的硬指令长期存储，以便CPU在调用指令时不必再通过与内存交换数据来取得，另外，还将最近处理的进程数据（中间数据）存放在一级缓存；而L2 cache（二级缓存）则是完全存放最近处理的进程数据（中间数据）和即将调用的数据。通过这样一来设置，就可以避免CPU运算过程中要频繁与内存交换数据，减少CPU的等待时间，提高CPU的利用效率。”
没错，objc_class结构体里面的cache就是这样的作用，每次消息接收者接收到消息的时候，都是先在cache里面查找是否有对应的方法，而不是直接到isa指向类的方法列表里面查找，这样会导致效率太低。同时，rumtime系统会把最近执行的方法存储在cache里面去（若是cache里面没有存储到的话）。
4、objc_mesgSend的调用流程
- 1、首先要明白，这是实质上是对一个对象发送消息，首先会根据这个对象的isa指针，找到这个对象是属于哪个类。
- 2、找到类之后，现在类结构体里面的cache里面查找这个消息对应IMP指针（找到就直接跳到IMP指针指向的方法，然后执行）
- 3、若是在cache找不到就会到该类的方法列表里面找。
- 4、若是在该类的方法列表找不到，就通过super_class指针，在父类的方法列表里面找，一直往上，根据继承关系寻找。
- 5、若是找到NSObject还找不到，就检查是否有动态创建方法体处理这个消息，如果还是没有就执行“消息转发”（message forwarding）操作。
元类MetaClass
从上面可以知道，对一个实例对象发送消息，首先会根据这个对象的isa指针，找到这个对象是属于哪个类。我们发现 Class 本身也有一个 isa 指针，指向的是它的 MetaClass。
- 当我们对一个实例发送消息时（-开头的方法），实际上，通过这个实例对象的isa指针找到所属的Class，然后在对应的类的 methodLists 里查找方法。
- 当我们对一个类发送消息时（+开头的方法），实际上会通过这个Class的isa指针，找到类的MetaClass，然后再在MetaClass的 methodLists 里查找方法。也就说说，元类存储的是类方法。
这一过程如下图所示： - 每个 Class 都有一个 isa 指针指向一个唯一的 Meta Class
- 每一个 Meta Class 的 isa 指针都是直接指向最上层基类的 Meta Class，即 NSObject 的 MetaClass，而最上层基类的 MetaClass 的 isa 指针又指向自己。
- 可以理解Class其实也是对象，实例对象和Class都是id类型的对象。
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参考文章
https://hit-alibaba.github.io/interview/iOS/ObjC-Basic/Runtime.html
