Objective-C runtime机制(1)——基本数据结构
前言
从本篇文章开始，就进入runtime的正篇。关于runtime的源码，大家可以在github中下载：
什么是runtime？
OC是一门动态语言，与C++这种静态语言不同，静态语言的各种数据结构在编译期已经决定了，不能够被修改。而动态语言却可以使我们在程序运行期，动态的修改一个类的结构，如修改方法实现，绑定实例变量等。
OC作为动态语言，它总会想办法将静态语言在编译期决定的事情，推迟到运行期来做。所以，仅有编译器是不够的，它需要一个运行时系统(runtime system)，这也就是OC的runtime系统的意义，它是OC运行框架的基石。
与Runtime交互
我们的OC语言是离不开runtime的。我们会在三个层次上和runtime进行交互，分别是：OC源码，通过Foundation框架定义的NSObject方法，直接调用runtime提供的接口方法。
- OC源码：大多数情况下，我们仅使用OC语言来编写代码，如NSObject，类属性，中括号的方法调用，协议，分类等。而这一切的背后，都是由runtime来支持的。我们平常所熟知的各种类型，背后都有runtime对应的C语言结构体，及C和汇编实现。
-
NSObject: Cocoa中大部分类均继承于NSObject，因此大多数类都继承了NSObject所提供的方法。在NSObject中，有若干方法是运行时动态决定结果的，这背后其实是runtime系统对应数据结构的支持。如
isKindOfClass和isMemberOfClass检查类是否属于指定的Class的继承体系中；responderToSelector检查对象是否能响应指定的消息；conformsToProtocol 检查对象是否遵循某个协议；methodForSelector返回指定方法实现的地址。 -
Runtime函数：Runtime 系统是一个由一系列函数和数据结构组成，具有公共接口的动态共享库。头文件存放于
/usr/include/objc目录下。许多函数允许你用纯C代码来重复实现 Objc 中同样的功能。虽然有一些方法构成了NSObject类的基础，但是你在写 Objc 代码时一般不会直接用到这些函数的，除非是写一些 Objc 与其他语言的桥接或是底层的debug工作。在Objective-C Runtime Reference 中有对 Runtime 函数的详细文档。
就如在我们在前传篇中提到的，<font color='blue'>所谓的runtime黑魔法，只是基于OC各种底层数据结构上的应用。</font>
因此，要想了解runtime，就要先了解runtime中定义的各种数据结构。我们先从最基础的objc_object和objc_class开始。
从NSObject说起
我们知道，在OC中，基本上所有的类的基类，都是NSObject。因此要深入了解OC中的类的结构，就要从NSObject这个类说起。
在XCode中，我们可以通过查看定义来了解NSObject的实现：
@interface NSObject <NSObject> {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}
NSObject仅有一个实例变量Class isa：
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;
Class实质上是指向objc_class的指针。而objc_class的定义又是如何呢，在XCode中，我们继续查看定义：
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;
OK，到这里，对OC中类的结构的探索，我们先暂停一下。网上可以搜到很多博客，都是按照上面objc_class的定义来继续讲解的。
BUT！！！
难道都没有看到OBJC2_UNAVAILABLE这个提示吗？？？在OC 2.0中，这种关于objc_class的定义已经废弃掉了啊！许多博客都是在根本没有深入了解的情况下，就开始人云亦云，其实自己未必知道自己在说什么。这样做是很不负责任的，结果往往是误人子弟，自己不明白，还把别人带到了坑里。
吐槽完毕，我们继续来探索OC类的定义。前面说到，关于objc_class的定义，我们在XCode里面是看不到其真实的定义了，那么到哪里继续深入呢？看runtime源码。
在runtime源码的objc-runtime-new.h中，可以看到objc_class在OC 2.0中的定义。
objc_class
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
class_rw_t *data() {
return bits.data();
}
void setData(class_rw_t *newData) {
bits.setData(newData);
}
// 省略其他方法
。。。
}
可以看到，objc_class继承自objc_object , 即<font color=blue>在runtime中，class也被看做一种对象。</font> 在objc_class中，有三个数据成员：
Class superclass ：同样是Class类型，表明当前类的父类。
cache_t cache ：cache用于<font color='orange'>优化方法调用</font>，其对应的数据结构如是：
struct cache_t {
struct bucket_t *_buckets;
mask_t _mask;
mask_t _occupied;
// 省略其余方法
。。。
}
typedef uintptr_t cache_key_t;
struct bucket_t {
private:
cache_key_t _key;
IMP _imp;
public:
inline cache_key_t key() const { return _key; }
inline IMP imp() const { return (IMP)_imp; }
inline void setKey(cache_key_t newKey) { _key = newKey; }
inline void setImp(IMP newImp) { _imp = newImp; }
void set(cache_key_t newKey, IMP newImp);
};
cache的核心是有一个类型为bucket_t的指针，它指向了一个以_key和IMP对应的缓存节点。
这里我们第一次遇到uintptr_t类型（_key） 。在runtime中，uintptr_t定义为
#ifndef _UINTPTR_T
#define _UINTPTR_T
typedef unsigned long uintptr_t;
#endif /* _UINTPTR_T */
可以理解为void *。
runtime方法调用的流程是，当要调用一个方法时，先不去Class的方法列表中查找，而是先去找cache_t cache 。当系统调用过一个方法后，会将其实现IMP和key存放到cache中，因为理论上一个方法调用过后，被再次调用的概率很大。关于方法调用，我们将会在别的章节描述。
class_data_bits_t bits：这是Class的核心，其本质是一个可以被Mask的指针类型。根据不同的Mask，可以取出不同的值。
struct class_data_bits_t {
// Values are the FAST_ flags above.
uintptr_t bits;
public:
class_rw_t* data() {
return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}
void setData(class_rw_t *newData)
{
assert(!data() || (newData->flags & (RW_REALIZING | RW_FUTURE)));
// Set during realization or construction only. No locking needed.
// Use a store-release fence because there may be concurrent
// readers of data and data's contents.
uintptr_t newBits = (bits & ~FAST_DATA_MASK) | (uintptr_t)newData;
atomic_thread_fence(memory_order_release);
bits = newBits;
}
。。。
class_data_bits_t bits 仅含有一个成员uintptr_t bits， 可以理解为一个‘复合指针’。什么意思呢，就是bits不仅包含了指针，同时包含了Class的各种异或flag，来说明Class的属性。把这些信息复合在一起，仅用一个uint指针bits来表示。当需要取出这些信息时，需要用对应的以FAST_ 前缀开头的flag掩码对bits做按位与操作。
例如，我们需要取出Classs的核心信息class_rw_t, 则需要调用方法：
class_rw_t* data() {
return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}
该方法返回一个class_rw_t*，需要对bits进行FAST_DATA_MASK 的与操作。
bits在内存中有三种位排列方式：
32位
| 0 | 1 | 2-31 |
|---|---|---|
| FAST_IS_SWIFT | FAST_HAS_DEFAULT_RR | FAST_DATA_MASK |
64位兼容版
| 0 | 1 | 2 | 3-46 | 47-63 |
|---|---|---|---|---|
| FAST_IS_SWIFT | FAST_HAS_DEFAULT_RR | FAST_REQUIRES_RAW_ISA | FAST_DATA_MASK | 空闲 |
64位不兼容版
| 0 | 1 | 2 | 3-46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52-63 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| FAST_IS_SWIFT | FAST_REQUIRES_RAW_ISA | FAST_HAS_CXX_DTOR | FAST_DATA_MASK | FAST_HAS_CXX_CTOR | FAST_HAS_DEFAULT_AWZ | FAST_HAS_DEFAULT_RR | FAST_ALLOC | FAST_SHIFTED_SIZE_SHIFT | 空闲 |
不兼容版本的宏定义如下：
// class is a Swift class
#define FAST_IS_SWIFT (1UL<<0)
// class's instances requires raw isa
#define FAST_REQUIRES_RAW_ISA (1UL<<1)
// class or superclass has .cxx_destruct implementation
// This bit is aligned with isa_t->hasCxxDtor to save an instruction.
#define FAST_HAS_CXX_DTOR (1UL<<2)
// data pointer
#define FAST_DATA_MASK 0x00007ffffffffff8UL
// class or superclass has .cxx_construct implementation
#define FAST_HAS_CXX_CTOR (1UL<<47)
// class or superclass has default alloc/allocWithZone: implementation
// Note this is is stored in the metaclass.
#define FAST_HAS_DEFAULT_AWZ (1UL<<48)
// class or superclass has default retain/release/autorelease/retainCount/
// _tryRetain/_isDeallocating/retainWeakReference/allowsWeakReference
#define FAST_HAS_DEFAULT_RR (1UL<<49)
// summary bit for fast alloc path: !hasCxxCtor and
// !instancesRequireRawIsa and instanceSize fits into shiftedSize
#define FAST_ALLOC (1UL<<50)
// instance size in units of 16 bytes
// or 0 if the instance size is too big in this field
// This field must be LAST
#define FAST_SHIFTED_SIZE_SHIFT 51
让我们再看一下Class的核心结构class_rw_t ：
struct class_rw_t {
// Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
uint32_t flags;
uint32_t version;
const class_ro_t *ro; // 类不可修改的原始核心
// 下面三个array，method,property, protocol，可以被runtime 扩展，如Category
method_array_t methods;
property_array_t properties;
protocol_array_t protocols;
// 和继承相关的东西
Class firstSubclass;
Class nextSiblingClass;
// Class对应的 符号名称
char *demangledName;
// 以下方法省略
...
}
struct class_ro_t {
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
uint32_t reserved;
#endif
const uint8_t * ivarLayout;
const char * name;
method_list_t * baseMethodList;
protocol_list_t * baseProtocols;
const ivar_list_t * ivars;
const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
method_list_t *baseMethods() const {
return baseMethodList;
}
};
可以看到，在class_ro_t 中包含了类的名称，以及method_list_t， protocol_list_t， ivar_list_t， property_list_t 这些类的基本信息。 在class_ro_t 的信息是不可修改和扩展的。
而在更外一层 class_rw_t 中，有三个数组method_array_t, property_array_t, protocol_array_t：
struct class_rw_t {
...
const class_ro_t *ro; // 类不可修改的原始核心
// 下面三个array，method,property, protocol，可以被runtime 扩展，如Category
method_array_t methods;
property_array_t properties;
protocol_array_t protocols;
...
}
这三个数组是可以被runtime动态扩展的。
objc_class 中包含class_data_bits_t, class_data_bits_t 中通过FAST_DATA_MASK获取指向class_rw_t类型的指针，而在class_rw_t中包含class_ro_t，类的核心const信息。
realizeClass
在objc_class的data()方法最初返回的是const class_ro_t * 类型，也就是类的基本信息。因为在调用realizeClass方法前，Category定义的各种方法，属性还没有附加到class上，因此只能够返回类的基本信息。
而当我们调用realizeClass时，会在函数内部将Category中定义的各种扩展附加到class上，同时改写data()的返回值为class_rw_t *类型，核心代码如下：
const class_ro_t *ro;
class_rw_t *rw;
ro = (const class_ro_t *)cls->data();
if (ro->flags & RO_FUTURE) {
// This was a future class. rw data is already allocated.
rw = cls->data();
ro = cls->data()->ro;
cls->changeInfo(RW_REALIZED|RW_REALIZING, RW_FUTURE);
} else {
// Normal class. Allocate writeable class data.
rw = (class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1);
rw->ro = ro;
rw->flags = RW_REALIZED|RW_REALIZING;
cls->setData(rw);
}
得出结论，在class没有调用realizeClass之前，不是真正完整的类。
objc_object
OC的底层实现是runtime，在runtime这一层，对象被定义为objc_object 结构体，类被定义为了objc_class 结构体。而objc_class 继承于objc_object， 因此，类可以看做是一类特殊的对象。
现在就来看objc_object是如何定义的：
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
public:
// ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
Class ISA();
// getIsa() allows this to be a tagged pointer object
Class getIsa();
// 省略其余方法
...
}
可以看到， objc_object的定义很简单，仅包含一个isa_t 类型。
union isa_t
{
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
Class cls;
uintptr_t bits;
// 省略其余
。。。
}
isa_t 是一个联合，可以表示Class cls或uintptr_t bits类型。实际上在OC 2.0里面，多数时间用的是uintptr_t bits。bits是一个64位的数据，每一位或几位都表示了关于当前对象的信息。具体的细节，我们将会在Objective-C runtime机制(5)——iOS 内存管理中作出描述。在这里我们先了解isa_t是一个联合类型就好。
objc_object & objc_class
如果我们再回头看一下objc_object和objc_class 的定义，可以发现object和class是你中有我，我中有你的：
struct objc_object {
private:
isa_t isa; // unit联合，可以表示Class类型，表明Object所属的类
。。。
}
struct objc_class : objc_object { // objc_class继承自objc_object，表明objc_class也是一个objc_object
Class superclass; // super class 是一个objc_class * 指针
。。。
}
如果用UML图表示的话：
20180529174550601.png
可以看到，objc_class也是一个objc_object类型，这意味着，objc_class中也有一个属性isa，而这个isa，可以表示当前类属于（注意不是继承）哪个类。而这种说明类是属于哪个类的类，我们称之为<font color=orange>元类</font>（meta-class）。
这里再重申一遍，元类不是类的父类。至于元类的用途，我们将会在OC的消息转发中详细讲解。现在只需要知道，每一个类都有一个与其对应的元类。
id
我们可以用id表示任意类型的类实例变量。在runtime中，id是这样定义的：
typedef struct objc_object *id;
其实是一个objc_object *，因为objc_object的isa存在，所有runtime是可以知道id类型对应的真正类型的。这个和C里面的void * 还是有区别的。
总结
在本章中，我们从NSObject的定义出发，了解了OC中类和对象所对应的数据结构objc_class和objc_object。关于NSObject，objc_class和objc_object三者之间的关系，我们可以用下面的图来更清晰的了解：
20190114150144745.png
