Runtime合集

iOS - isa、superclass指针，元类superclass指向基类本身

1. 什么是Runtime

Runtime是一个库，位于usr/include/objc, 经常用的api位于该库下的runtime.h文件中,在使用时需要引用头文件#import <objc/runtime.h>

2. Runtime 做什么用

通过Runtime，我们可以在App运行期动态的创建对象、检查对象、修改类、对象的方法，可以说Runtime是Objective-C的运行时机制的基础

3. 消息机制的基本原理

声明一个Person类, 类包含两个对象方法（此处为了编译后查找代码方便，我把函数名命为personSleep，此处不符合代码命名规范请忽略）

@implementation Person

- (void)eatFood:(NSString *)foodName {
    NSLog(@"person eat food : %@", foodName);
}

- (void)personSleep {
    NSLog(@"person is sleeping...");
}

@end

我们在外界调用eatFood，编译成cpp查看

    Person *person = [[Person alloc] init];
    [person eatFood:@"baozi"];
    [person personSleep];

cpp

    Person *person = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
    ((void (*)(id, SEL, NSString * _Nonnull))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("eatFood:"), (NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_44_1ht3l6g55dv59_5s62wsv_bm0000gn_T_ViewController_88ee85_mi_0);
    ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("personSleep"));

把代码简化一下，我们可知编译后的[person eatFood]变成了

objc_msgSend(reciver, Selector)

objc_msgSend(reciver, Selector, org1, org2, ...)

运行期阶段:消息接收者reciver寻找Selector去执行

1. 通过reciver的isa指针找到revicer的Class
2. 在Class的cache(方法缓存)的散列表寻找对应的IMP(方法实现)
3. 如果2.没找到，就继续在Class的method list(方法列表)中找对应的selector，如果找到了，填充到Class的cache中并返回selector
4. 如果3.没找到，就继续在其父类中找
5. 一旦找到对应的selector,直接执行reciver的selector的IMP(方法实现)
6. 若找不到对应的selector,需要消息被转发或临时向这个reciver添加selector,否则会发生崩溃

4.Runtime中的概念

4.1 objc_msgSend

所有的Objective-C方法编译后都会变成对objc_msgSend的调用,

4.2 Class

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa;                                         //objc_class结构体的实例指针

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class;                                //指向父类的指针
    const char * _Nonnull name;                                 //类的名称
    long version;                                               //类的版本信息，默认为0
    long info;                                                  //类的信息，供运行期使用的一些位标识
    long instance_size;                                         //该类的实例变量大小
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars;                    //该类的实例变量列表
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists;//方法定义的列表
    struct objc_cache * _Nonnull cache;                         //方法缓存;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols;            //遵守的协议列表;
#endif
}

从中可以看出，objc_class 结构体 定义了很多变量：自身的所有实例变量（ivars）、所有方法定义（methodLists）、遵守的协议列表（protocols）等。objc_class 结构体 存放的数据称为 元数据（metadata）。

objc_class结构体的第一个成员变量是isa指针，isa指针保存的是所属类的结构体的实例的指针，这里保存的就是objc_class结构体的实例指针，换个名字就是对象，也就是说，Class的本质就是一个对象，我们称为 类对象

4.3 Object

在objc.h中， Object被定义成了objc_class结构体

/// Represents an instance of a class.
typedef struct objc_class *Class;

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa;       //objc_object 结构体的实例指针
};

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

从中可以看出，objc_object结构体只包含了一个Class类型的isa指针，也就是说一个Object(对象)唯一保存的就是它所属Class(类)的地址，当我们对一个对象进行方法调用时，比如[receiver selector], 它会通过objc_object结构体的isa指针去找到对应的object_class结构体,然后在object_class结构体的methodLists中找到我们调用的方法，然后执行

4.4 Meta Class

从上边我们能看出，对象的(objc_object结构体)的isa指针指向对应类对象(object_class结构体),那么类对象(object_class结构体)的isa指针又指向什么呢
object_class结构体的isa指针实际上指向的是类对象自身的meta-class（元类）

元类就是一个类对象所属的类。一个对象所属的类叫做类对象，一个类对象所属的类就是元类

Runtime中把类对象所属类型叫做meta-class(元类)，用于描述类对象本身所具有的特征，而在元类的methodLists中，保存了类的方法列表，即所谓的类方法,并且类对象中的isa指针指向的就是元类，每个类对象有且仅有一个与之相关的元类

在3. 消息机制的基本原理中讲到，对象的调用过程，是通过对象的isa指针找到类对象，在类对象的methodLists中找到对应的selector

而类方法的调用过程与对象的调用差不多，流程如下:

1. 通过类对象的isa指针找到所属的meta-class(元类)
2. 在meta-class的methodLists中找到对应的selector
3. 执行对应的selector

下面看一个示例:

NSString *str = [NSString stringWithFormat:@"%d,%s", 3. @"test"];

上边的示例中，stringWithFormat被发送给了NSString类，NSString类通过isa指针找到NSString的元类，然后在该元类的方法列表中找到对应的stringWithFormat:方法，然后执行该方法

4.5 实例对象、类、元类的关系

iOS - isa、superclass指针，元类superclass指向基类本身

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4.6 Method

object_class结构体中的methodLists(方法列表)中存放的元素就是Method(方法)

objc/runtime.h中，表示Method的‘objc_method结构体’数据结构如下

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name;       //方法名
    char * _Nullable method_types;  //方法类型
    IMP _Nonnull method_imp;        //方法实现
} 

1. SEL method_name 方法名
   SEL的定义在objc/objc.h中

/// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;

SEL是一个指向objc_selector的指针，但是在runtime相关头文件中并没有找到明确的定义。不过，通过测试我们可以得出：SEL只是一个保存方法名的字符串

    SEL sel = @selector(viewDidLoad);
    NSLog(@"%s", sel);
    SEL sel1 = @selector(test);
    NSLog(@"%s", sel1);

输出为:

2021-05-10 21:58:24.705590+0800 RuntimeDemo[2266:67998] viewDidLoad
2021-05-10 21:58:24.705746+0800 RuntimeDemo[2266:67998] test

2. IMP _Nonnull method_imp 方法实现
   IMP的定义同样在objc/objc.h中

/// A pointer to the function of a method implementation. 
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...); 
#endif

IMP的实质是一个函数指针，所指向的就是方法的实现，IMP用来找到函数的地址，然后执行函数

3. char * _Nullable method_types; 方法类型
   方法类型method_types是个字符串，用来存储方法的参数类型和返回值类型

到这里，Method的结构就已经很清楚了，Method将SEL(方法名)和IMP(函数指针)关联起来，当对一个对象发送消息时，会通过给出的SEL(方法名)去找到IMP(函数指针),然后执行

5. Runtime消息转发

在3. 消息机制的基本原理最后一步我们提到：若找不到对应的selector，消息被转发或者临时向receiver添加这个selector对应的实现方法，否则就会崩溃

当一个方法找不到的时候，Runtime提供了消息动态解析、消息接受者重定向、消息定向等三步处理消息，具体流程如下

image

5.1 消息动态解析(动态添加方法)

Objective-C运行时会调用+resolveClassMethod或+resolveInstanceMethod,让你有机会提供一个函数实现。前者在对象方法未找到时调用，后者在类方法未找到时调用。我们可以通过重写这两个方法，添加其他函数实现，并返回YES，那运行时系统就会重新启动一次消息发送的过程

主要用到的方法如下
动态解析的方法位于

// 位于objc/NSObject.h
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel ;
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel;

//位于 objc/runtime.h

/** 
 * 向一个类添加新方法，此方法需要给定名称及参数
 * 
 * @param cls 要被添加方法的类
 * @param name selector方法名称
 * @param imp 实现方法的函数指针
 * @param types 只想函数的返回值与参数类型 
 * 
 * @return 如果添加方法成功返回YES，否则返回NO
 */
OBJC_EXPORT BOOL
class_addMethod(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull name, IMP _Nonnull imp, 
                const char * _Nullable types) ;

代码示例:

//
//  ViewController.m
//  RuntimeDemo
//
//  Created by Terence on 2021/5/10.
//  Copyright © 2021年 Terence. All rights reserved.
//

#import "ViewController.h"
#import "objc/runtime.h"

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    [self performSelector:@selector(eat)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(eat)) {
        class_addMethod(self.class, sel, (IMP)eatMethod, "v@:");
        return YES;
    }
    
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

void eatMethod(id obj, SEL _cmd) {
    NSLog(@"eat food");
}

@end

输出结果:

2021-05-10 23:10:23.110858+0800 RuntimeDemo[3451:122697] eat food

从上边的例子中，我们可以看出，虽然我们没有实现fun方法，但是通过重写resolveInstanceMethod方法，利用class_addMethod 方法动态的添加了对象方法eatMethod,并执行，成功调用了eatMethod方法

class_addMethod方法中的特殊参数v@:，可参考苹果官方文档中关于Type Encodings的说明:Type Encodings

5.2 消息动态转发

如果上一步中+resolveClassMethod、 +resolveInstanceMethod没有添加其它函数实现，运行时就会进行到下一步:消息接收者重定向

如果当前对象实现了- forwardingTargetForSelector:或+forwardingTargetForSelector:方法，Runtime就会调用这个方法，允许我们将消息的接收者转发给其它对象

// 重定向类方法的消息接收者，返回一个类或实例对象
+ (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;
// 重定向方法的消息接收者，返回一个类或实例对象
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;

注意：

1. 类方法和对象方法消息转发第二步调用的方法不一样，前者是+forwardingTargetForSelector方法，后者是-forwardingTargetForSelector方法
2. 这里-resolveClassMethod:或者-resolveInstanceMethod无论是返回YES还是NO，只要其中没有添加其它函数实现，运行时都会进行下一步

代码示例:

@implementation Person

- (void)eatFood:(NSString *)foodName {
    NSLog(@"person eat food : %@", foodName);
}

- (void)personSleep {
    NSLog(@"person is sleeping...");
}

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
   
    [self performSelector:@selector(personSleep)];
}

+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel {
    return YES;
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    return YES;
}

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(personSleep)) {
        return [[Person alloc] init];
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

@end

打印输出:

2021-05-11 11:50:55.352147+0800 LoadInitializeDemo[47468:1985216] person is sleeping...

可以看到，虽然当前ViewController没有实现fun方法，+resolveInstanceMethod:也没有添加其它函数实现，但是我们通过forwardingTargetForSelector把当前ViewController的方法转发给了person对象去执行了

我们通过forwardingTargetForSelector可以修改消息的接收者，该方法返回参数是一个对象，如果这个对象不是nil，也不是self，系统会将运行的消息转发给这个对象执行。否则，继续进行下一步：消息重定向流程

5.3 消息重定向

如果经过消息动态解析、消息接收者重定向，Runtime系统还是找不到相应的方法实现而无法响应消息,Runtime系统会利用-methodSignatureForSelector:或+methodSignatureForSelector:方法获取函数的参数和返回值类型

• 如果methodSignatureForSelector返回了一个NSMethodSignature对象(函数签名)，Runtime系统就会创建一个NSInvocation对象。并通过forwardInvocation:消息通知当前对象，给予此次消息发送最后依次寻找IMP的机会
• 如果methodSignatureForSelecotr:返回nil，则Runtime系统会发出doesNotRecognizeSelector:消息，程序也就崩溃了
  所以我们可以在forwardingInvocation:方法中对消息进行转发

注意：类方法和对象方法消息转发第三步调用的方法同样不一样
类方法调用的是：

1. +methodSignatureForSelector
2. + forwardInvocation:
3. doesNotRecognizeSelector:

对象方法调用的是
-methodSignatureForSelector:
-forwardingInvocation:
doesNotRecognizeSelector:

用到的方法

//获取类方法函数的参数和返回值类型，返回签名
+ (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;
// 类方法消息重定向
+ (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    NSLog(@"aInvocation: %@", anInvocation);
    
// 获取对象方法函数的参数和返回值类型，返回签名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;
// 对象方法消息重定向
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    NSLog(@"aInvocation: %@", anInvocation);
}


}

代码示例

#import "ViewController.h"
#import "Person.h"
#import <objc/runtime.h>
@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    [ViewController performSelector:@selector(personWakeup)];

}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    //为了进行下一步，消息接收者重定向
    return YES;
}

//消息接收者重定向
+ (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
//为了进行下一步，消息重定向
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

// 获取函数的参数和返回值类型，返回签名
+ (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"personWakeup"]) {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
    }
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

// 消息重定向
+ (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    NSLog(@"aInvocation: %@", anInvocation);
    SEL sel = anInvocation.selector;
    
    if ([Person respondsToSelector:sel]) { //判断Person类对象是否可以响应sel
        [anInvocation invokeWithTarget:Person.class]; // 若可以响应，则将消息转发给其它对象处理
    } else {
            [anInvocation doesNotRecognizeSelector:sel];//若仍然无法响应，则报错：找不到方法
    }
}

@end

打印结果:

2021-05-11 16:40:10.119025+0800 LoadInitializeDemo[93832:2252330] person will wake up...

可以看到，我们在+forwardingInvocation:方法里面让Peron对象去执行了personWakeup函数

既然-forwardingTargetForSelector:和-forwardingInvocation:都可以将消息转发给其它对象处理，那么两者区别在哪?
区别就在于-forwardingTargetForSelector:只能将消息转发给一个对象,而 -forwardingInvocation:可以将消息转发给多个对象

以上就是Runtime消息转发的整个流程

结合之前讲的3.消息机制的基本原理，就构成了整个消息发送及转发的流程，下面我们来总结下整个流程

6. 消息发送一级转发机制总结

调用[receiver selector]后，进行的流程：

1. 编译阶段:[receiver selector]方法被编译器转换为:
   1. objc_msgSend(receiver, selector)(不带参数)
   2. objc_msgSend(receiver,selector, org1, org2, ...)(带参数)
2. 运行时阶段：消息接收者receiver寻找对应的selector
   1. 通过receiver的isa指针找到receiver的Class
   2. 在Class的cache(方法缓存)的散列表中寻找对应的IMP(方法实现)
   3. 如果在cache(方法缓存)中没有找到对应的IMP(方法实现)，则继续在Class(类)的methodLists中寻找对应的selector,如果找到，填充到cache(方法缓存)中，并返回selector
   4. 如果在class(类)中没有找到这个selector,就继续在它的superclass(父类)中找
   5. 一旦找到对应的selector,直接指向receiver对应的selector方法实现的IMP(方法实现)
   6. 若找不到对应的selector，Runtime系统进入消息转发机制
      3.运行时消息转发阶段:
   7. 动态解析:通过重写resolveInstanceMethod或resolveClassMethod，利用class_addMethod动态添加方法
   8. 消息接收者重定向：如果上一步没有添加其它函数实现，可在当前对象中利用forwardingTargetForSelector将消息的接收者转给其它对象
   9. 消息重定向: 如果上一步没有返回值为nil，返回了一个NSMethodSignature对象(函数签名),Runtime系统就会创建一个NSIncovation对象，并通过forwardingInvocation:消息通知当前对象，给予此次消息发送最后依次寻找IMP的机会
   10. 如果methodSignationForSelector返回nil，则Runtime系统就会发出doesNotRecoginzerSelector:消息，程序也就崩溃了

参考:

1. Objective-C Runtime 苹果官方文档
2. Objective-C Runtime Programming Guide
3. 『Runtime』详解（一）基础知识