runtime进行曲，objc_msgSend的前世今生（一）
runtime小序曲一文中举出了runtime的三种应用方式：
- Objective-C源代码，以objc_msgSend方法举例。
- NSObject的方法。
- Runtime的函数。
本文将就第一种方式中的objc_msgSend方法展开讲解。
学习进度:
- runtime小序曲，从运行时多态看这股神秘力量
- runtime进行曲，objc_msgSend的前世今生（一）
- runtime进行曲，objc_msgSend的前世今生（二）
- runtime变奏曲，那些藏在runtime中的接口（一）
- runtime变奏曲，那些藏在runtime中的接口（二）
一、objc_msgSend的两种姿势
很容易想到，OC中的两种方法调用的姿势：实例方法和类方法。下面我们通过一个简单样例的clang处理后的代码看一下。
// OC代码
// main.m
#import <UIKit/UIKit.h>
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
@interface A : NSObject
@property (nonatomic, assign) NSInteger a;
- (void)b;
+ (void)c;
@end
@implementation A
- (void)b {
NSLog(@"b");
}
+ (void)c {
NSLog(@"c");
}
@end
int main(int argc, char * argv[]) {
A *aObject = [[A alloc] init];
// 实例方法调用
[aObject b];
// 类方法调用
[A c];
}
通过xcrun -sdk iphonesimulator9.3 clang -rewrite-objc main.m将其转换为编译后的伪代码，即运行时执行的代码的伪代码（代码比较多，只列出我们想要的）。
// A类定义
typedef struct objc_object A;
// objc_getClass方法
struct objc_class *objc_getClass(const char *);
// sel_registerName方法
SEL sel_registerName(const char *str) __attribute__((availability(ios,introduced=2.0)));
// 对应上述main函数
int main(int argc, char * argv[]) {
A *aObject = ((A *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((A *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("A"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
// 实例方法调用
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)aObject, sel_registerName("b"));
// 类方法调用
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("A"), sel_registerName("c"));
}
将上述实例方法调用和类方法调用的强制转换干掉之后看下。
实例方法
objc_msgSend(aObject, sel_registerName("b"));
可知，aObject是一个objc_object结构体，sel_registerName返回值为SEL。所以，这句话的意思大致是：向一个objc_object发送一个SEL。当然，具体怎么发送的这里先不谈。
类方法
objc_msgSend(objc_getClass("A"), sel_registerName("c"));
可知，objc_getClass返回值为objc_class，sel_registerName返回值为SEL。所以，这句话的意思大致是：向一个objc_class发送一个SEL。当然，具体怎么发送的这里先不谈。下文会说。
本节过后，大概有两个疑问：
1、objc_object、objc_class、SEL分别是什么东西？
2、objc_msgSend到底如何工作？
二、objc_object和objc_class
上一节留了两个问题，这里先回答第一个问题的一部分，即objc_object、objc_class是什么？可以参照runtime源码。在objc.h和runtime.h里面分别可以找到objc_object和objc_class的实现。
objc_object
// 在objc.h中找到相关代码
typedef struct objc_class *Class;
struct objc_object {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
动态类型id其实就是一个objc_object。
可以看出一个类的实例，即一个对象，其实在runtime时刻是一个objc_class结构体，而结构体里面只有一个指向objc_class的指针isa。哎吆，objc_class好像在哪里见过？对，就是上面提到的调用类方法使用的结构体，下面看一下它的结构。
objc_class
// 在runtime.h中找到相关代码
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;
objc_class的结构体的东西就比较多了，因为现在讨论的是调用类的方法，所以我们只关注三个东西isa、super_class和objc_method_list。
isa指向一个objc_class对象，而super_class比较容易理解，即指向这个类的父类。而objc_method_list会在下一节和SEL一起讲解。
本节并没有讲解一些东西，只是说了下两个结构体的实现，让大家对isa、super_class有一个概念。本节过后，大家的疑问应该变多了，结合一中疑问，大概以下几个：
1、objc_method_list、SEL。
2、isa、super_class有什么用？怎么用？
3、objc_msgSend到底如何工作？
三、objc_method、SEL和IMP
二中第一个疑问是objc_method_list、SEL，而引入objc_method_list是objc_method的列表，所以我们不研究objc_method_list，改为研究objc_method和SEL，而objc_method结构体中还有一个IMP，与本节内容息息相关，所以以objc_method、SEL和IMP为中心讲解。
objc_method
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE;
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;
} OBJC2_UNAVAILABLE;
可知，OC中每一个方法都是如上的结构体，里面的两个关键字段method_name和method_imp共同为方法的查找和使用服务。
SEL
从SEL类型的成员为method_name可以知道，SEL大概代表一个方法的名字，可以通过以下方式检验。
// OC代码
#import <UIKit/UIKit.h>
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
@interface A : NSObject
@property (nonatomic, assign) NSInteger a;
- (void)b;
+ (void)c;
@end
@implementation A
- (void)b {
}
+ (void)c {
NSLog(@"%s", @selector(b));
}
@end
int main(int argc, char * argv[]) {
[A c];
}
// 输出
2016-12-29 15:23:03.850 block[57622:533311] b
IMP
SEL的作用很容易理解，即想找到想要的objc_method结构体，需要通过SEL来遍历，那么，IMP是什么呢？一般来说，通过SEL找到想要的objc_method，下一步就是调用方法的实现了，objc_method结构体中唯一有可能和方法实现相关的就是IMP了。所以，IMP是一个函数指针，指向objc_method对应方法的实现部分。
objc_method中的method_types指的是方法的返回值和参数。以返回值开始，依次把参数拼在后面，比如"i@"，即为返回值为int类型，参数为一个对象，参照对照表。
简单样例
// 考虑到只用文字描述有点空洞，这里通过class_addMethod方法的使用做个样例
//先看下class_addMethod定义，几个参数容易理解。cls为需要增加方法的类，后三个参数对应objc_method结构体中的几个成员。
OBJC_EXPORT BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types) OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);
// OC代码
#import <UIKit/UIKit.h>
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
@interface A : NSObject
@property (nonatomic, assign) NSInteger a;
- (void)b;
@end
@implementation A
- (void)b {
}
@end
int c(NSString *str) {
NSLog(@"c");
return 0;
}
int main(int argc, char * argv[]) {
class_addMethod([A class], @selector(c:), (IMP)c, "i@");
A *aObject = [[A alloc] init];
[aObject performSelector:@selector(c:)];
}
// 输出，可见完成了方法c的调用。
2016-12-29 15:51:17.931 block[60624:567679] c
本节内容大致到这，SEL、IMP你应该搞懂了，现在只剩下两个问题：
1、isa、super_class有什么用？怎么用？
2、objc_msgSend到底如何工作？
四、objc_msgSend工作原理和实例方法调用
1、objc_msgSend工作原理
伪代码
// 首先看一下objc_msgSend的方法实现的伪代码
id objc_msgSend(id self, SEL op, ...) {
if (!self) return nil;
// 关键代码（a）
IMP imp = class_getMethodImplementation(self->isa, SEL op);
imp(self, op, ...); // 调用这个函数，伪代码...
}
// 查找IMP
IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL sel) {
if (!cls || !sel) return nil;
IMP imp = lookUpImpOrNil(cls, sel);
if (!imp) {
... // 执行动态绑定
}
IMP imp = lookUpImpOrNil(cls, sel);
if (!imp) return _objc_msgForward; // 这个是用于消息转发的
return imp;
}
// 遍历继承链，查找IMP
IMP lookUpImpOrNil(Class cls, SEL sel) {
if (!cls->initialize()) {
_class_initialize(cls);
}
Class curClass = cls;
IMP imp = nil;
do { // 先查缓存,缓存没有时重建,仍旧没有则向父类查询
if (!curClass) break;
if (!curClass->cache) fill_cache(cls, curClass);
imp = cache_getImp(curClass, sel);
if (imp) break;
} while (curClass = curClass->superclass); // 关键代码（b）
return imp;
}
分析
首先在Class中的缓存查找imp（没缓存则初始化缓存），如果没找到，则向父类的Class查找。如果一直查找到根类仍旧没有实现，则用_objc_msgForward函数指针代替imp。最后，执行这个imp。
2、实例方法调用
代码
// 实例方法调用，参照一
objc_msgSend(aObject, sel_registerName("b"));
// 参照二中实例对象的结构
typedef struct objc_class *Class;
struct objc_object {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
// 顺便给出objc_class结构
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;
分析
结合关键代码（a）、关键代码（b）和上述结构，大概可以猜到实例方法的调用顺序：
1、将一个objc_object结构体的isa指针（即其对应的objc_class结构体）和一个方法名SEL传入class_getMethodImplementation。
2、在class_getMethodImplementation方法中，使用lookUpImpOrNil遍历继承链，若返回nil，则消息转发（消息转发下一章在讲）。
3、在lookUpImpOrNil遍历继承链，即先在当前objc_class的cache中查找SEL，若没有，则在methodLists中查找，若存在，则将其放入该objc_class的cache中，然后返回IMP。若不存在，则通过super_class指针找到该class的父class，继续该步骤直到NSObject停止（NSObject的super_class指向nil）。
4、执行得到的IMP。
调用顺序的第3步也解释了objc_class 结构体中cache的存在意义。
图示
实例对象的isa和继承链
3、结论与问题
本节介绍了objc_msgSend工作原理、objc_object的isa和objc_class的super_class等的使用方式，但是有一个和本章相关的成员没有提到，即objc_class结构体的isa指针。无疑，它是和类方法的调用直接相关的。
五、类方法调用和元类（metaClass）
上面留下的最后一个问题，objc_class结构体的isa指针问题。无疑是和类方法调用直接相关的。
1、类方法调用与实例方法调用区别
类方法的调用和实例方法显然不用，后者是需要先创建一个实例，而这个实例在堆中有自己对应的objc_object结构体，是以这个结构体对应的其“私有”的objc_class结构体为基础进行消息传递的。
那么，类方法呢？类方法不需要创建实例，每个类都有一个自己对应的现成的objc_class结构体。而类方法的调用也是以这个“公有”的objc_class结构体做操作的。
公有、私有指的是每个对象实例都有自己的objc_class（私有），实例方法的调用也是通过这个私有的objc_class，而每个类只有一个对应的objc_class（公有），任何地方调用类方法，都是通过这个公有的objc_class。
2、methodLists中的方法
代码
// OC代码
#import <UIKit/UIKit.h>
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
@interface A : NSObject
@property (nonatomic, assign) NSInteger a;
- (void)b;
+ (void)d;
@end
@implementation A
- (void)b {
NSLog(@"b");
}
+ (void)d {
NSLog(@"d");
}
@end
int main(int argc, char * argv[]) {
// 在A对应的objc_class结构体的继承链中找到实例方法b
IMP bIMP = class_getMethodImplementation([A class], @selector(b));
// 执行IMP
bIMP();
}
// 输出
2016-12-29 18:21:39.810 block[74277:689120] b
分析
可知，可以从A的objc_class的methodLists找到方法b。但是，尝试将
IMP bIMP = class_getMethodImplementation([A class], @selector(b));
改为
IMP bIMP = class_getMethodImplementation([A class], @selector(d));
执行代码，会crash。可以得出结论，objc_class的methodLists中只存有实例方法，并没有类方法。那么类方法在哪里？
类方法的位置
// OC代码
#import <UIKit/UIKit.h>
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
@interface A : NSObject
@property (nonatomic, assign) NSInteger a;
- (void)b;
+ (void)d;
@end
@implementation A
- (void)b {
NSLog(@"b");
}
+ (void)d {
NSLog(@"d");
}
@end
int main(int argc, char * argv[]) {
// 获取A类对应的metaClass
Class aMeta = objc_getMetaClass(class_getName([A class]));
// 在metaClass中找类方法d
IMP dIMP = class_getMethodImplementation(aMeta, @selector(d));
dIMP();
}
// 输出
2016-12-29 18:27:19.290 block[74821:695164] d
可知，A的objc_class结构体有一个现成的metaClass，而它存有A类的类方法。这里大概可以想到A类的objc_class结构体里面的isa指针指向这个metaClass。
当然，metaClass里面只存了类方法，没有实例方法。
3、元类（metaClass）
由代码
Class aMeta = objc_getMetaClass(class_getName([A class]));
可知，元类也是一个objc_class结构体。而相应的也有isa和super_class成员。super_class比较好理解，参照四中objc_msgSend实现，用于在继承链上方法的查找。而元类的isa均指向NSObject对应的元类，这里不多解释（NSObject对应元类的isa指向自己，其super_class指向NSObject，也不解释了）。
4、类方法调用流程
// 类方法调用，参照一
objc_msgSend(objc_getClass("A"), sel_registerName("c"));
// 顺便给出objc_class结构
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;
可知，objc_getClass("A")，即为获取A的class，结合四中objc_msgSend实现，将其isa指针指向的metaClass传入class_getMethodImplementation来进行查找，符合我们的预期。其后的步骤与实例方法相同。
5、类调用图示
类的isa和继承链
六、结论
结合四和五的图展示，现在，你看懂这个图了吗。（可以发现本文在四中留下了两个疑问，即动态绑定和消息转发，且等下一篇分享）
runtime经典图
七、文献
1、http://yulingtianxia.com/blog/2014/11/05/objective-c-runtime/
2、http://blog.csdn.net/reylen/article/details/50440450
3、http://cocoasamurai.blogspot.jp/2010/01/understanding-objective-c-runtime.html
4、http://blog.ibireme.com/2013/11/26/objective-c-messaging/
5、https://github.com/opensource-apple/objc4
