Runtime - 图1

  • Objective-C是一门动态性比较强的编程语言，跟C、C++等语言有着很大的不同
  • Objective-C的动态性是由Runtime API来支撑的
  • Runtime API提供的接口基本都是C语言的，源码由C\C++\汇编语言编写

  • 只有在程序运行时，才会去确定对象的类型，并调用类与对象相应的方法

    数据结构

    要想学习Runtime，首先要了解它底层的一些常用数据结构
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    isa指针详解

  • 在arm64架构之前，isa就是一个普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址

  • 从arm64架构开始，对isa进行了优化，变成了一个共用体（union）结构，还使用位域来存储更多的信息

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    isa详解 – 位域

  • nonpointer

    • 0，代表普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址
    • 1，代表优化过，使用位域存储更多的信息
  • has_assoc
    • 是否有设置过关联对象，如果没有，释放时会更快
  • has_cxx_dtor
    • 是否有C++的析构函数（.cxx_destruct），如果没有，释放时会更快
  • shiftcls
    • 存储着Class、Meta-Class对象的内存地址信息
  • magic
    • 用于在调试时分辨对象是否未完成初始化
  • weakly_referenced
    • 是否有被弱引用指向过，如果没有，释放时会更快
  • deallocating
    • 对象是否正在释放
  • extra_rc
    • 里面存储的值是引用计数器减1
  • has_sidetable_rc
    • 引用计数器是否过大无法存储在isa中
    • 如果为1，那么引用计数会存储在一个叫SideTable的类的属性中

Class的结构 objc_class

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class_rw_t

class_rw_t里面的methods、properties、protocols是二维数组，是可读可写的，包含了类的初始内容、分类的内容
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class_ro_t

class_ro_t里面的baseMethodList、baseProtocols、ivars、baseProperties是一维数组，是只读的，包含了类的初始内容
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method_t

method_t是对方法\函数的封装
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  • IMP代表函数的具体实现
  • SEL代表方法\函数名，一般叫做选择器，底层结构跟char *类似
    • 可以通过@selector()和sel_registerName()获得
    • 可以通过sel_getName()和NSStringFromSelector()转成字符串
    • 不同类中相同名字的方法，所对应的方法选择器是相同的
  • types包含了函数返回值、参数编码的字符串

Type Encodings

  • iOS中提供了一个叫做@encode的指令，可以将具体的类型表示成字符串编码

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方法缓存

Class内部结构中有个方法缓存（cache_t），用散列表（哈希表）来缓存曾经调用过的方法，可以提高方法的查找速度
缓存查找： objc-cache.mm -> bucket_t * cache_t::find(cache_key_t k, id receiver)
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  • 用于快速查找方法执行函数
  • 是可增量扩展的哈希表结构
  • 是局部原理的最佳应用

objc_msgSend执行流程

OC中的方法调用，其实都是转换为objc_msgSend函数的调用
objc_msgSend的执行流程可以分为3大阶段

  • 消息发送
  • 动态方法解析

  • 消息转发

    消息发送

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  • receiver通过isa指针找到receiverClass

  • receiverClass通过superclass指针找到superClass

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如果是从class_rw_t中查找方法

  • 已经排序的，二分查找

  • 没有排序的，遍历查找

    动态方法解析

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  • 开发者可以实现以下方法，来动态添加方法实现 +resolveInstanceMethod: +resolveClassMethod:

  • 动态解析过后，会重新走“消息发送”的流程 “从receiverClass的cache中查找方法”这一步开始执行

    消息转发

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  • 开发者可以在forwardInvocation:方法中自定义任何逻辑

  • 以上方法都有对象方法、类方法2个版本（前面可以是加号+，也可以是减号-）

隐藏参数self和_cmd

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？

这是 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。

super的本质

证明：输出相同，都只能获取当前类的类型名

  1. NSLog(@"%@", NSStringFromClass([self class]));
  2. NSLog(@"%@", NSStringFromClass([super class]));

当调用[self class]方法时，会转化为objc_msgSend函数，这个函数定义如下：

  1. id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)

这时会从当前类的方法列表中查找，如果没有，就到父类查找，还是没有，最后在NSObject类查找到。我们可以从NSObject.mm文件中看到

  1. - (Class)class {
  2.     return object_getClass(self);
  3. }

super调用，底层会转换为objc_msgSendSuper2函数的调用，

当调用[super class]方法时，会转化为objc_msgSendSuper2函数的调用，接收2个参数

  • struct objc_super2
  • SEL

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  • receiver是消息接收者

  • current_class是receiver的Class对象

    应用场景

  • 查看私有成员变量

  • 字典转模型
    • 利用Runtime遍历所有的属性或者成员变量
    • 利用KVC设值
  • 用 关联对象 为分类添加属性
  • 用 交换方法 替换方法实现
    • class_replaceMethod
    • method_exchangeImplementations

误区：并不是使用的技术越底层，框架的效率就会越高

Runtime API

类

  1. 动态创建一个类（参数：父类，类名，额外的内存空间）
  2. Class objc_allocateClassPair(Class superclass, const char *name, size_t extraBytes)
  4. 注册一个类（要在类注册之前添加成员变量）
  5. void objc_registerClassPair(Class cls) 
  7. 销毁一个类
  8. void objc_disposeClassPair(Class cls)
  10. 获取isa指向的Class
  11. Class object_getClass(id obj)
  13. 设置isa指向的Class
  14. Class object_setClass(id obj, Class cls)
  16. 判断一个OC对象是否为Class
  17. BOOL object_isClass(id obj)
  19. 判断一个Class是否为元类
  20. BOOL class_isMetaClass(Class cls)
  22. 获取父类
  23. Class class_getSuperclass(Class cls)

成员变量

获取一个实例变量信息
Ivar class_getInstanceVariable(Class cls, const char *name)

拷贝实例变量列表（最后需要调用free释放）
Ivar *class_copyIvarList(Class cls, unsigned int *outCount)

设置和获取成员变量的值
void object_setIvar(id obj, Ivar ivar, id value)
id object_getIvar(id obj, Ivar ivar)

动态添加成员变量（已经注册的类是不能动态添加成员变量的）
BOOL class_addIvar(Class cls, const char * name, size_t size, uint8_t alignment, const char * types)

获取成员变量的相关信息
const char *ivar_getName(Ivar v)
const char *ivar_getTypeEncoding(Ivar v)

属性

获取一个属性
objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name)

拷贝属性列表（最后需要调用free释放）
objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount)

动态添加属性
BOOL class_addProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes,
                  unsigned int attributeCount)

动态替换属性
void class_replaceProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes,
                      unsigned int attributeCount)

获取属性的一些信息
const char *property_getName(objc_property_t property)
const char *property_getAttributes(objc_property_t property)

方法

获得一个实例方法、类方法
Method class_getInstanceMethod(Class cls, SEL name)
Method class_getClassMethod(Class cls, SEL name)

方法实现相关操作
IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL name) 
IMP method_setImplementation(Method m, IMP imp)
void method_exchangeImplementations(Method m1, Method m2) 

拷贝方法列表（最后需要调用free释放）
Method *class_copyMethodList(Class cls, unsigned int *outCount)

动态添加方法
BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)

动态替换方法
IMP class_replaceMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)

获取方法的相关信息（带有copy的需要调用free去释放）
SEL method_getName(Method m)
IMP method_getImplementation(Method m)
const char *method_getTypeEncoding(Method m)
unsigned int method_getNumberOfArguments(Method m)
char *method_copyReturnType(Method m)
char *method_copyArgumentType(Method m, unsigned int index)

选择器相关
const char *sel_getName(SEL sel)
SEL sel_registerName(const char *str)

用block作为方法实现
IMP imp_implementationWithBlock(id block)
id imp_getBlock(IMP anImp)
BOOL imp_removeBlock(IMP anImp)

应用

获取属性数组

+ (NSArray *)properties {

    unsigned int count = 0;
    objc_property_t *list = class_copyPropertyList(self.class, &count);

    NSMutableArray *arrayM = [NSMutableArray arrayWithCapacity:count];
    for (unsigned int i = 0; i < count; ++i) {
        const char *cname = property_getName(list[i]);
        [arrayM addObject:[NSString stringWithUTF8String:cname]];
    }

    // 释放属性数组
    free(list);

    NSLog(@"%@", arrayM);

    return arrayM;
}

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。
  • 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。
  • 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。

    常见问题

    objc在向一个对象发送消息时，发生了什么？

    根据对象的 isa 指针找到类对象 id，在查询类对象里面的 methodLists 方法函数列表，如果没有在找到到，在沿着 superClass ,寻找父类，再在父类 methodLists 方法列表里面查询，最终找到 SEL ,根据 id 和 SEL 确认 IMP（指针函数）,再发送消息。

什么时候会报unrecognized selector错误？iOS有哪些机制来避免走到这一步？

当发送消息的时候，我们会根据类里面的 methodLists 列表去查询我们要调用的SEL，当查询不到的时候，我们会一直沿着父类查询，当最终查询不到的时候我们会报 unrecognized selector 错误，当系统查询不到方法的时候，会调用 +(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel 动态解析的方法来给我一次机会来添加，调用不到的方法。或者我们可以再次使用 -(id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector 重定向的方法来告诉系统，该调用什么方法，一来保证不会崩溃。

能否向编译后得到的类中增加实例变量？能否向运行时创建的类中添加实例变量？为什么？

1、不能向编译后得到的类增加实例变量
2、能向运行时创建的类中添加实例变量。
【解释】：1. 编译后的类已经注册在 runtime 中,类结构体中的 objc_ivar_list 实例变量的链表和 instance_size 实例变量的内存大小已经确定，runtime会调用 class_setvarlayout 或 class_setWeaklvarLayout 来处理strong weak 引用.所以不能向存在的类中添加实例变量。
2. 运行时创建的类是可以添加实例变量，调用class_addIvar函数. 但是的在调用 objc_allocateClassPair 之后，objc_registerClassPair 之前,原因同上.

为什么weak指针指向的对象在废弃之后会自动置为nil?

当对象被废弃之后，dealloc方法内部实现当中，会调用清除弱引用的方法，在方法中通过哈希算法来查找被废弃对象在弱引用表中的位置来提取它所对应的弱引用指针的列表数组，然后遍历把每个weak指针置为nil。

给类添加一个属性后，在类结构体里哪些元素会发生变化？

instance_size ：实例的内存大小；
objc_ivar_list *ivars:属性列表

参考

https://www.jianshu.com/p/ab966e8a82e2