Runtime机制

2018-03-30  本文已影响0人  wps_pro

一.Runtime的概念

runtime是oc底层的一套C语言编写的API，将OC代码转换成运行时代码。其中最主要的就是消息机制。

消息机制原理：

对象根据方法编号SEL去映射表查找对应的方法实现。

消息机制方法调用的流程：

1.OC在向一个对象发送消息时，runtime库会根据对象的isa指针找到该对象对应的类或其父类中查找方法。
2.注册方法的编号(这里用方法编号的好处，可以快速查找);
3.根据方法编号去查找对应方法。
4.找对只是最终函数现实地址，根据地址去方法区调用对应函数。

一个objc对象的isa的指针指向什么？有什么作用？

每一个对象内部都有一个isa指针，这个指针是指向它的真实类型，根据这个指针就能知道将来调用哪个类的方法。

二.runtime常见作用

具体的使用可参考 runtime详解

1.动态交换两个方法的实现；
2.动态添加属性；
3.实现字典转模型的自动转换；
4.发送消息；
5.动态添加方法；
6.拦截并替换方法；
7.实现NSCoding的自动归档和解档；

三.常见的runtime面试题

1.Runtime是什么

Runtime 又叫运行时，是一套底层的 C 语言 API，其为 iOS 内部的核心之一，我们平时编写的 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, selector)
如果其还有参数比如：
[receiver message:(id)arg...];
底层运行时会被编译器转化为：
objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)

2.为什么需要Runtime
3.Runtime 的作用

OC 在三种层面上与 Runtime 系统进行交互：

4.Runtime的相关术语，你知道的有哪些？
struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *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;

从 objc_class 可以看到，一个运行时类中关联了它的父类指针、类名、成员变量、方法、缓存以及附属的协议。

其中 objc_ivar_list 和 objc_method_list 分别是成员变量列表和方法列表：

// 成员变量列表
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;

// 方法列表
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;
}

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，而单个方法的信息则由 objc_method 结构体存储。

值得注意的时，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 库创建了一种叫做 Meta Class(元类) 的东西，类对象所属的类就叫做元类。Meta Class 表述了类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 的消息时，实际上，这个消息被发送给了一个类对象(Class Object)，这个类对象必须是一个元类的实例，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() 会去它元类中查找能够响应消息的方法实现，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_cache ，缓存，它的作用很重要，后面会提到。

typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}
objc_method 存储了方法名，方法类型和方法实现：

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

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

其中 ivar_offset 是基地址偏移字节

它就是一个函数指针，这是由编译器生成的。当你发起一个 ObjC 消息之后，最终它会执行的那段代码，就是由这个函数指针指定的。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，这在后面 Cache 中会提到。

你会发现 IMP 指向的方法与 objc_msgSend 函数类型相同，参数都包含 id 和 SEL 类型。每个方法名都对应一个 SEL 类型的方法选择器，而每个实例对象中的 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。

而一个确定的方法也只有唯一的一组 id 和 SEL 参数。

typedef struct objc_cache *Cache
struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    unsigned int occupied                                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    Method buckets[1]                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
};

Cache 为方法调用的性能进行优化，每当实例对象接收到一个消息时，它不会直接在 isa 指针指向的类的方法列表中遍历查找能够响应的方法，因为每次都要查找效率太低了，而是优先在 Cache 中查找。

Runtime 系统会把被调用的方法存到 Cache 中，如果一个方法被调用，那么它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。

7.Property

typedef struct objc_property *Property;
typedef struct objc_property *objc_property_t;//这个更常用
可以通过class_copyPropertyList 和 protocol_copyPropertyList 方法获取类和协议中的属性：

objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount)
objc_property_t *protocol_copyPropertyList(Protocol *proto, unsigned int *outCount)

注意：
返回的是属性列表，列表中每个元素都是一个 objc_property_t 指针

#import <Foundation/Foundation.h>
@interface Person : NSObject
/** 姓名 */
@property (strong, nonatomic) NSString *name;
/** age */
@property (assign, nonatomic) int age;
/** weight */
@property (assign, nonatomic) double weight;
@end

以上是一个 Person 类，有3个属性。让我们用上述方法获取类的运行时属性。

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, attributes);
}

打印结果如下：

test[2321:451525] 3
test[2321:451525] name--------T@"NSString",&,N,V_name
test[2321:451525] age--------Ti,N,V_age
test[2321:451525] weight--------Td,N,V_weight

property_getName 用来查找属性的名称，返回 c 字符串。property_getAttributes 函数挖掘属性的真实名称和 @encode 类型，返回 c 字符串。

objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name)
objc_property_t protocol_getProperty(Protocol *proto, const char *name, BOOL isRequiredProperty, BOOL isInstanceProperty)
class_getProperty 和 protocol_getProperty 通过给出属性名在类和协议中获得属性的引用。

5.Runtime与消息的关系？
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呢？
其实，这也是 Runtime 系统的作用，self 实在方法运行时被动态传入的。

当 objc_msgSend 找到方法对应实现时，它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，它还将传递两个隐藏参数：

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，当前方法的 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。它们时在代码被编译时被插入方法实现中的。尽管这些参数没有被明确声明，在源代码中我们仍然可以引用它们。

这两个参数中， self更实用。它是在方法实现中访问消息接收者对象的实例变量的途径。

这时我们可能会想到另一个关键字 super ，实际上 super 关键字接收到消息时，编译器会创建一个 objc_super 结构体：

struct objc_super { id receiver; Class class; };
这个结构体指明了消息应该被传递给特定的父类。 receiver 仍然是 self 本身，当我们想通过 [super class] 获取父类时，编译器其实是将指向 self 的 id 指针和 class 的 SEL 传递给了 objc_msgSendSuper 函数。只有在 NSObject 类中才能找到 class 方法，然后 class 方法底层被转换为 object_getClass()， 接着底层编译器将代码转换为 objc_msgSend(objc_super->receiver, @selector(class))，传入的第一个参数是指向 self 的 id 指针，与调用 [self class] 相同，所以我们得到的永远都是 self 的类型。因此你会发现：

// 这句话并不能获取父类的类型，只能获取当前类的类型名
NSLog(@"%@", NSStringFromClass([super class]));
获取方法地址
NSObject 类中有一个实例方法：methodForSelector，你可以用它来获取某个方法选择器对应的 IMP ，举个例子：

void (*setter)(id, SEL, BOOL);
int i;

setter = (void (*)(id, SEL, BOOL))[target
                                   methodForSelector:@selector(setFilled:)];
for ( i = 0 ; i < 1000 ; i++ )
setter(targetList[i], @selector(setFilled:), YES);

当方法被当做函数调用时，两个隐藏参数也必须明确给出，上面的例子调用了1000次函数，你也可以尝试给 target 发送1000次 setFilled: 消息会花多久。

虽然可以更高效的调用方法，但是这种做法很少用，除非时需要持续大量重复调用某个方法的情况，才会选择使用以免消息发送泛滥。

注意：
methodForSelector:方法是由 Runtime 系统提供的，而不是 Objc 自身的特性
动态方法解析
你可以动态提供一个方法实现。如果我们使用关键字 @dynamic 在类的实现文件中修饰一个属性，表明我们会为这个属性动态提供存取方法，编译器不会再默认为我们生成这个属性的 setter 和 getter 方法了，需要我们自己提供。

@dynamic propertyName;
这时，我们可以通过分别重载 resolveInstanceMethod: 和 resolveClassMethod: 方法添加实例方法实现和类方法实现。

当 Runtime 系统在 Cache 和类的方法列表(包括父类)中找不到要执行的方法时，Runtime 会调用 resolveInstanceMethod: 或 resolveClassMethod: 来给我们一次动态添加方法实现的机会。我们需要用 class_addMethod 函数完成向特定类添加特定方法实现的操作：

void dynamicMethodIMP(id self, SEL _cmd) {
    // implementation ....
}
@implementation MyClass
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)aSEL
{
    if (aSEL == @selector(resolveThisMethodDynamically)) {
        class_addMethod([self class], aSEL, (IMP) dynamicMethodIMP, "v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:aSEL];
}
@end

上面的例子为 resolveThisMethodDynamically 方法添加了实现内容，就是 dynamicMethodIMP 方法中的代码。其中 "v@:" 表示返回值和参数，这个符号表示的含义见：Type Encoding

注意：
动态方法解析会在消息转发机制侵入前执行，动态方法解析器将会首先给予提供该方法选择器对应的 IMP 的机会。如果你想让该方法选择器被传送到转发机制，就让 resolveInstanceMethod: 方法返回 NO。
消息转发

1.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。

2.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。这时 forwardInvocation: 方法会被执行，我们可以重写这个方法来自定义我们的转发逻辑：

注意：参数 anInvocation 是从哪来的？
在 forwardInvocation: 消息发送前，Runtime 系统会向对象发送methodSignatureForSelector: 消息，并取到返回的方法签名用于生成 NSInvocation 对象。所以重写 forwardInvocation: 的同时也要重写 methodSignatureForSelector: 方法，否则会抛异常。
当一个对象由于没有相应的方法实现而无法相应某消息时，运行时系统将通过 forwardInvocation: 消息通知该对象。每个对象都继承了 forwardInvocation: 方法。但是， NSObject 中的方法实现只是简单的调用了 doesNotRecognizeSelector:。通过实现自己的 forwardInvocation: 方法，我们可以将消息转发给其他对象。

forwardInvocation: 方法就是一个不能识别消息的分发中心，将这些不能识别的消息转发给不同的接收对象，或者转发给同一个对象，再或者将消息翻译成另外的消息，亦或者简单的“吃掉”某些消息，因此没有响应也不会报错。这一切都取决于方法的具体实现。

注意：
forwardInvocation:方法只有在消息接收对象中无法正常响应消息时才会被调用。所以，如果我们向往一个对象将一个消息转发给其他对象时，要确保这个对象不能有该消息的所对应的方法。否则，forwardInvocation:将不可能被调用。
转发和多继承
转发和继承相似，可用于为 Objc 编程添加一些多继承的效果。就像下图那样，一个对象把消息转发出去，就好像它把另一个对象中的方法接过来或者“继承”过来一样。

这使得在不同继承体系分支下的两个类可以实现“继承”对方的方法，在上图中 Warrior 和 Diplomat 没有继承关系，但是 Warrior 将 negotiate 消息转发给了 Diplomat 后，就好似 Diplomat 是 Warrior 的超类一样。

消息转发弥补了 Objc 不支持多继承的性质，也避免了因为多继承导致单个类变得臃肿复杂。
转发与继承

虽然转发可以实现继承的功能，但是 NSObject 还是必须表面上很严谨，像 respondsToSelector: 和 isKindOfClass: 这类方法只会考虑继承体系，不会考虑转发链。

Warrior 对象被问到是否能响应 negotiate消息：

if ( [aWarrior respondsToSelector:@selector(negotiate)] )
...
回答当然是 NO， 尽管它能接受 negotiate 消息而不报错，因为它靠转发消息给 Diplomat 类响应消息。

如果你就是想要让别人以为 Warrior 继承到了 Diplomat 的 negotiate 方法，你得重新实现 respondsToSelector: 和 isKindOfClass: 来加入你的转发算法：

如果一个对象想要转发它接受的任何远程消息，它得给出一个方法标签来返回准确的方法描述 methodSignatureForSelector:，这个方法会最终响应被转发的消息。从而生成一个确定的 NSInvocation 对象描述消息和消息参数。这个方法最终响应被转发的消息。它需要像下面这样实现：

在 Runtime 的现行版本中，最大的特点就是健壮的实例变量了。当一个类被编译时，实例变量的内存布局就形成了，它表明访问类的实例变量的位置。实例变量一次根据自己所占空间而产生位移：

上图左是 NSObject 类的实例变量布局。右边是我们写的类的布局。这样子有一个很大的缺陷，就是缺乏拓展性。哪天苹果更新了 NSObject 类的话，就会出现问题：

我们自定义的类的区域和父类的区域重叠了。只有苹果将父类改为以前的布局才能拯救我们，但这样导致它们不能再拓展它们的框架了，因为成员变量布局被固定住了。在脆弱的实例变量(Fragile ivar)环境下，需要我们重新编译继承自 Apple 的类来恢复兼容。如果是健壮的实例变量的话，如下图：

在健壮的实例变量下，编译器生成的实例变量布局跟以前一样，但是当 Runtime 系统检测到与父类有部分重叠时它会调整你新添加的实例变量的位移，那样你再子类中新添加的成员变量就被保护起来了。

注意：
在健壮的实例变量下，不要使用 siof(SomeClass)，而是用 class_getInstanceSize([SomeClass class]) 代替；也不要使用 offsetof(SomeClass, SomeIvar)，而要使用 ivar_getOffset(class_getInstanceVariable([SomeClass class], "SomeIvar")) 来代替。
总结
我们让自己的类继承自 NSObject 不仅仅是因为基类有很多复杂的内存分配问题，更是因为这使得我们可以享受到 Runtime 系统带来的便利。

虽然平时我们很少会考虑一句简单的调用方法，发送消息底层所做的复杂的操作，但深入理解 Runtime 系统的细节使得我们可以利用消息机制写出功能更强大的代码。

6.如何交换系统的方法？

这题目主要考察的是runtime如何交换方法。先在分类中添加一个方法,注意不能重写系统方法,会覆盖

+(NSString *)myLog

{

    // 这里写打印行号,什么方法,哪个类调用等等

}

// 加载分类到内存的时候调用

+(void)load

{

    // 获取imageWithName方法地址
    Method description = class_getClassMethod(self, @selector(description));

    // 获取imageWithName方法地址
    Method myLog = class_getClassMethod(self, @selector(myLog));

    // 交换方法地址，相当于交换实现方式
    method_exchangeImplementations(description, myLog);
}

6.如何让 Category 支持属性？(使用runtime)

使用runtime可以实现
头文件

@interface NSObject (test)

@property (nonatomic, copy) NSString *name;

@end

.m文件

@implementation NSObject (test)

// 定义关联的key

static const char *key = "name";

-(NSString *)name

{
    // 根据关联的key，获取关联的值。

    return objc_getAssociatedObject(self, key);

}

-(void)setName:(NSString *)name

{

    // 第一个参数：给哪个对象添加关联
    // 第二个参数：关联的key，通过这个key获取
    // 第三个参数：关联的value
    // 第四个参数:关联的策略
    objc_setAssociatedObject(self, key, name, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}
7.Toll-Free Bridging 是什么？什么情况下会使用？
8.performSelector:withObject:afterDelay: 内部大概是怎么实现的，有什么注意事项么？
上一篇 下一篇

猜你喜欢

热点阅读