為什么Category無(wú)法添加實(shí)例變量肆良？

Category是無(wú)法添加實(shí)例變量的拨与，當(dāng)一個(gè)類(lèi)被編譯時(shí)忆蚀，實(shí)例變量的布局也就形成了根蟹，如果Category在運(yùn)行時(shí)添加實(shí)例變量就會(huì)破壞類(lèi)的內(nèi)存布局，這對(duì)編譯型語(yǔ)言來(lái)說(shuō)是災(zāi)難性的拷肌。
https://tech.meituan.com/DiveIntoCategory.html
http://yulingtianxia.com/blog/2014/11/05/objective-c-runtime/
https://stackoverflow.com/questions/39429512/objective-c-categories-doesnt-allow-to-add-instance-variables?noredirect=1&lq=1
https://stackoverflow.com/questions/39429512/objective-c-categories-doesnt-allow-to-add-instance-variables?noredirect=1&lq=1

為什么category里的方法會(huì)覆蓋掉類(lèi)里同名的方法

在運(yùn)行時(shí)到旦，category的方法被添加到類(lèi)的方法列表里，并且會(huì)被添加到類(lèi)原有的方法的前面巨缘。運(yùn)行時(shí)在查找方法的時(shí)候是順著方法列表的順序查找的添忘，它只要一找到對(duì)應(yīng)名字的方法就會(huì)停止查找。

Category是如何給類(lèi)添加方法的若锁？

在運(yùn)行時(shí)會(huì)把Category里的方法添加到類(lèi)里搁骑。
在runtime的源碼(我看的是objc4-723)objc-runtime-new.h里可以找到Category的定義：

struct category_t {
    const char *name;
    classref_t cls;
    struct method_list_t *instanceMethods;
    struct method_list_t *classMethods;
    struct protocol_list_t *protocols;
    struct property_list_t *instanceProperties;
    // Fields below this point are not always present on disk.
    struct property_list_t *_classProperties;
};

自定義一個(gè)類(lèi)：
MyClass.h

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface MyClass : NSObject

- (void)printName;

@end

@interface MyClass(MyAddition)

@property(nonatomic, copy) NSString *name;

- (void)printName;

@end

MyClass.m：

#import "MyClass.h"

@implementation MyClass

- (void)printName
{
    NSLog(@"%@",@"MyClass");
}

@end

@implementation MyClass(MyAddition)

- (void)printName
{
    NSLog(@"%@",@"MyAddition");
}

@end

我們使用clang的命令去看看category到底會(huì)變成什么：

clang -rewrite-objc MyClass.m

然后打開(kāi)得到的MyClass.cpp文件,在文件最后可以找到下面的代碼：

struct _category_t {
    const char *name;
    struct _class_t *cls;
    const struct _method_list_t *instance_methods;
    const struct _method_list_t *class_methods;
    const struct _protocol_list_t *protocols;
    const struct _prop_list_t *properties;
};

//生成實(shí)例方法列表
static struct /*_method_list_t*/ {
    unsigned int entsize;  // sizeof(struct _objc_method)
    unsigned int method_count;
    struct _objc_method method_list[1];
} _OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
    sizeof(_objc_method),
    1,
    {{(struct objc_selector *)"printName", "v16@0:8", (void *)_I_MyClass_MyAddition_printName}}
};

//生成屬性列表
static struct /*_prop_list_t*/ {
    unsigned int entsize;  // sizeof(struct _prop_t)
    unsigned int count_of_properties;
    struct _prop_t prop_list[1];
} _OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
    sizeof(_prop_t),
    1,
    {{"name","T@\"NSString\",C,N"}}
};

//生成category本身
static struct _category_t _OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = 
{
    "MyClass",
    0, // &OBJC_CLASS_$_MyClass,
    (const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition,
    0,
    0,
    (const struct _prop_list_t *)&_OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition,
};

static struct _category_t *L_OBJC_LABEL_CATEGORY_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_catlist,regular,no_dead_strip")))= {
    &_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition,
};

• 編譯器會(huì)先生成實(shí)例方法列表_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition和屬性列表_OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition __attribute__。而且實(shí)例方法列表里面填充的正是我們?cè)贛yAddition這個(gè)Category里面寫(xiě)的方法printName拴清，而屬性列表里面填充的也正是我們?cè)贛yAddition里添加的name屬性靶病；
• 之后，編譯器會(huì)生成Category本身_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition口予，并且使用上面已經(jīng)生成的實(shí)例方法列表和屬性列表來(lái)初始化娄周；
• 最后，編譯器在DATA段下的objc_catlist section里保存了一個(gè)大小為1的Category_t的數(shù)組L_OBJC_LABELCATEGORY$（當(dāng)然沪停，如果有多個(gè)Category煤辨，會(huì)生成對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的數(shù)組）裳涛，用于運(yùn)行期Category的加載。

對(duì)于OC運(yùn)行時(shí)众辨，入口方法如下（在objc-os.mm文件中）：

/***********************************************************************
* _objc_init
* Bootstrap initialization. Registers our image notifier with dyld.
* Called by libSystem BEFORE library initialization time
**********************************************************************/

void _objc_init(void)
{
    static bool initialized = false;
    if (initialized) return;
    initialized = true;
    
    // fixme defer initialization until an objc-using image is found?
    environ_init();
    tls_init();
    static_init();
    lock_init();
    exception_init();

    _dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
}

category被附加到類(lèi)上面是在map_images的時(shí)候發(fā)生的端三，在new-ABI的標(biāo)準(zhǔn)下，_objc_init里面的調(diào)用的map_images最終會(huì)調(diào)用objc-runtime-new.mm里面的_read_images方法鹃彻，而在_read_images方法的結(jié)尾郊闯，有以下的代碼片段：

// Discover categories. 
    for (EACH_HEADER) {
        category_t **catlist = 
            _getObjc2CategoryList(hi, &count);
        bool hasClassProperties = hi->info()->hasCategoryClassProperties();

        for (i = 0; i < count; i++) {
            category_t *cat = catlist[I];
            Class cls = remapClass(cat->cls);

            if (!cls) {
                // Category's target class is missing (probably weak-linked).
                // Disavow any knowledge of this category.
                catlist[i] = nil;
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: IGNORING category \?\?\?(%s) %p with "
                                 "missing weak-linked target class", 
                                 cat->name, cat);
                }
                continue;
            }

            // Process this category. 
            // First, register the category with its target class. 
            // Then, rebuild the class's method lists (etc) if 
            // the class is realized. 
            bool classExists = NO;

            //把category的實(shí)例方法、協(xié)議以及屬性添加到類(lèi)上
            if (cat->instanceMethods ||  cat->protocols  
                ||  cat->instanceProperties) 
            {
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);
                if (cls->isRealized()) {
                    remethodizeClass(cls);
                    classExists = YES;
                }
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: found category -%s(%s) %s", 
                                 cls->nameForLogging(), cat->name, 
                                 classExists ? "on existing class" : "");
                }
            }

            //把category的類(lèi)方法蛛株、協(xié)議以及類(lèi)屬性添加到元類(lèi)上
            if (cat->classMethods  ||  cat->protocols  
                ||  (hasClassProperties && cat->_classProperties)) 
            {
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi);
                if (cls->ISA()->isRealized()) {
                    remethodizeClass(cls->ISA());
                }
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: found category +%s(%s)", 
                                 cls->nameForLogging(), cat->name);
                }
            }
        }
    }

首先团赁，我們拿到的catlist就是上節(jié)中講到的編譯器為我們準(zhǔn)備的category_t數(shù)組，之后做了兩件事：

• 把category的實(shí)例方法谨履、協(xié)議以及屬性添加到類(lèi)上欢摄；
• 把category的類(lèi)方法、協(xié)議以及類(lèi)屬性添加到元類(lèi)上笋粟。

addUnattachedCategoryForClass只是把類(lèi)和category做一個(gè)關(guān)聯(lián)映射怀挠，而remethodizeClass才是真正去處理添加事宜的函數(shù):

/***********************************************************************
* remethodizeClass
* Attach outstanding categories to an existing class.
* Fixes up cls's method list, protocol list, and property list.
* Updates method caches for cls and its subclasses.
* Locking: runtimeLock must be held by the caller
**********************************************************************/
static void remethodizeClass(Class cls)
{
    category_list *cats;
    bool isMeta;

    runtimeLock.assertWriting();

    isMeta = cls->isMetaClass();

    // Re-methodizing: check for more categories
    if ((cats = unattachedCategoriesForClass(cls, false/*not realizing*/))) {
        if (PrintConnecting) {
            _objc_inform("CLASS: attaching categories to class '%s' %s", 
                         cls->nameForLogging(), isMeta ? "(meta)" : "");
        }
        
        attachCategories(cls, cats, true /*flush caches*/);        
        free(cats);
    }
}

而對(duì)于添加類(lèi)的實(shí)例方法而言，又會(huì)去調(diào)用attachCategories這個(gè)方法害捕，我們?nèi)タ聪?code>attachCategories：

// Attach method lists and properties and protocols from categories to a class.
// Assumes the categories in cats are all loaded and sorted by load order, 
// oldest categories first.
static void 
attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches)
{
    if (!cats) return;
    if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats);

    bool isMeta = cls->isMetaClass();

    // fixme rearrange to remove these intermediate allocations
    method_list_t **mlists = (method_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*mlists));
    property_list_t **proplists = (property_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*proplists));
    protocol_list_t **protolists = (protocol_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*protolists));

    // Count backwards through cats to get newest categories first
    int mcount = 0;
    int propcount = 0;
    int protocount = 0;
    int i = cats->count;
    bool fromBundle = NO;
    while (i--) {
        auto& entry = cats->list[I];
        //將所有的category的實(shí)例方法列表放到mlists列表中
        method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
        if (mlist) {
            mlists[mcount++] = mlist;
            fromBundle |= entry.hi->isBundle();
        }
       
        //將所有的category的屬性列表放到proplists列表中
        property_list_t *proplist = 
            entry.cat->propertiesForMeta(isMeta, entry.hi);
        if (proplist) {
            proplists[propcount++] = proplist;
        }

        //將所有的category的協(xié)議列表放到protolists列表中
        protocol_list_t *protolist = entry.cat->protocols;
        if (protolist) {
            protolists[protocount++] = protolist;
        }
    }

    auto rw = cls->data();

    prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle);
    rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
    free(mlists);
    if (flush_caches  &&  mcount > 0) flushCaches(cls);

    rw->properties.attachLists(proplists, propcount);
    free(proplists);

    rw->protocols.attachLists(protolists, protocount);
    free(protolists);
}

attachCategories做的工作相對(duì)比較簡(jiǎn)單绿淋，它只是把所有category的實(shí)例方法列表拼成了一個(gè)大的實(shí)例方法列表，然后轉(zhuǎn)交給了attachLists函數(shù)吨艇，attachLists函數(shù)在objc-runtime-new.h中：

void attachLists(List* const * addedLists, uint32_t addedCount) {
        if (addedCount == 0) return;

        if (hasArray()) {
            // many lists -> many lists
            uint32_t oldCount = array()->count;
            uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
            setArray((array_t *)realloc(array(), array_t::byteSize(newCount)));
            array()->count = newCount;
            memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists, 
                    oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
            memcpy(array()->lists, addedLists, 
                   addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
        }
        else if (!list  &&  addedCount == 1) {
            // 0 lists -> 1 list
            list = addedLists[0];
        } 
        else {
            // 1 list -> many lists
            List* oldList = list;
            uint32_t oldCount = oldList ? 1 : 0;
            uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
            setArray((array_t *)malloc(array_t::byteSize(newCount)));
            array()->count = newCount;
            if (oldList) array()->lists[addedCount] = oldList;
            memcpy(array()->lists, addedLists, 
                   addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
        }
    }

從上面的memcpy(array()->lists, addedLists, addedCount * sizeof(array()->lists[0])); }可以看出躬它，category的方法會(huì)被添加到類(lèi)原有的方法的前面。如果category和原來(lái)類(lèi)都有methodA东涡，那么category附加完成之后，類(lèi)的方法列表里會(huì)有兩個(gè)methodA這也就是我們平常所說(shuō)的category的方法會(huì)“覆蓋”掉原來(lái)類(lèi)的同名方法的原因倘待。這是因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)在查找方法的時(shí)候是順著方法列表的順序查找的疮跑，它只要一找到對(duì)應(yīng)名字的方法就會(huì)停止查找。

類(lèi)的多個(gè)類(lèi)別有相同方法名

如果類(lèi)或類(lèi)別實(shí)現(xiàn)了+load方法凸舵，當(dāng)類(lèi)或類(lèi)別被加入到OC的runtime時(shí)祖娘，會(huì)調(diào)用類(lèi)或類(lèi)別實(shí)現(xiàn)的+load方法，并且類(lèi)的load方法在類(lèi)別的load方法之前調(diào)用啊奄。如果有多個(gè)類(lèi)別實(shí)現(xiàn)了+load方法渐苏，則多個(gè)類(lèi)別里的+load方法的調(diào)用順序是由compile sources里的文件順序決定的，在compile sources里后面的category文件會(huì)先調(diào)用+load方法菇夸。

類(lèi)和類(lèi)別里其他的同名方法在調(diào)用時(shí)琼富，類(lèi)別里的方法會(huì)取代類(lèi)里的方法（原因之前有提到），多個(gè)類(lèi)別里的同名方法會(huì)調(diào)用哪一個(gè)也是由compile sources里的category文件順序決定的庄新。

如果類(lèi)別里有和類(lèi)同名的方法鞠眉，會(huì)調(diào)用類(lèi)別里的方法薯鼠，如果一個(gè)類(lèi)有多個(gè)類(lèi)別且每個(gè)類(lèi)別里都有同名的方法，那么調(diào)用那個(gè)方法是由build phase里的順序決定的械蹋。在build phase里后編譯的category出皇，在運(yùn)行時(shí)里category的方法會(huì)被添加到類(lèi)的方法列表里前面的位置。
我們的代碼里有MyClass和MyClass的兩個(gè)category （Category1和Category2）哗戈，MyClass和兩個(gè)category都添加了+load方法郊艘，并且Category1和Category2都寫(xiě)了MyClass的printName方法：

在Xcode中點(diǎn)擊Edit Scheme，添加如下兩個(gè)環(huán)境變量（可以在執(zhí)行l(wèi)oad方法以及加載category的時(shí)候打印log信息唯咬，更多的環(huán)境變量選項(xiàng)可參見(jiàn)objc-private.h）:

此時(shí)的complie sources里的順序是這樣的:

運(yùn)行項(xiàng)目暇仲，我們會(huì)看到控制臺(tái)打印很多東西出來(lái)，我們只找到我們想要的信息副渴，順序如下：

objc[63746]: REPLACED: -[MyClass printName]  by category Category1
objc[63746]: REPLACED: -[MyClass printName]  by category Category2  
···
···
···
objc[64365]: LOAD: class 'MyClass' scheduled for +load
objc[64365]: LOAD: category 'MyClass(Category1)' scheduled for +load
objc[64365]: LOAD: category 'MyClass(Category2)' scheduled for +load

objc[63746]: LOAD: +[MyClass load]
objc[63746]: LOAD: +[MyClass(Category1) load]
objc[63746]: LOAD: +[MyClass(Category2) load]

可以看出奈附，類(lèi)的printName方法會(huì)被Category2里的printName取代；+load方法的調(diào)用順序是先調(diào)用類(lèi)里的load方法煮剧，然后類(lèi)別里的load方法的調(diào)用順序和編譯順序是一致的斥滤。并且category的方法添加到類(lèi)里的工作實(shí)現(xiàn)與load方法調(diào)用的，因此可以在load方法里調(diào)用
換一下complie sources里的順序：

objc[63746]: REPLACED: -[MyClass printName]  by category Category2
objc[63746]: REPLACED: -[MyClass printName]  by category Category1 
···
···
···
objc[64433]: LOAD: class 'MyClass' scheduled for +load
objc[64433]: LOAD: category 'MyClass(Category2)' scheduled for +load
objc[64433]: LOAD: category 'MyClass(Category1)' scheduled for +load

objc[64433]: LOAD: +[MyClass load]
objc[64433]: LOAD: +[MyClass(Category2) load]
objc[64433]: LOAD: +[MyClass(Category1) load]

此時(shí)category1里的printName會(huì)最終取代類(lèi)里的printName勉盅。

通過(guò)關(guān)聯(lián)對(duì)象的方法添加屬性

Category里可以添加屬性佑颇，但只會(huì)添加setter和getter方法的聲明，不會(huì)添加setter和getter方法的實(shí)現(xiàn)和實(shí)例變量草娜，
我們可以通過(guò) Associated Objects 來(lái)彌補(bǔ)不能添加實(shí)例變量這一不足挑胸。
相關(guān)函數(shù)：

/** 
 * Sets an associated value for a given object using a given key and association policy.
 * 
 * @param object The source object for the association.
 * @param key The key for the association.
 * @param value The value to associate with the key key for object. Pass nil to clear an existing association.
 * @param policy The policy for the association. For possible values, see “Associative Object Behaviors.”
 * 
 */
OBJC_EXPORT void
objc_setAssociatedObject(id _Nonnull object, const void * _Nonnull key,
                         id _Nullable value, objc_AssociationPolicy policy)

/** 
 * Returns the value associated with a given object for a given key.
 * 
 * @param object The source object for the association.
 * @param key The key for the association.
 * 
 * @return The value associated with the key \e key for \e object.
 */
OBJC_EXPORT id _Nullable
objc_getAssociatedObject(id _Nonnull object, const void * _Nonnull key)

• objc_setAssociatedObject 用于給對(duì)象添加關(guān)聯(lián)對(duì)象，傳入 nil 則可以移除已有的關(guān)聯(lián)對(duì)象宰闰；
• objc_getAssociatedObject 用于獲取關(guān)聯(lián)對(duì)象茬贵；

這兩個(gè)方法都要傳入一個(gè)key值，這個(gè) key 值必須保證是一個(gè)對(duì)象級(jí)別（的唯一常量移袍。一般來(lái)說(shuō)解藻，有以下三種推薦的 key 值：

• 聲明 static char kAssociatedObjectKey; ，使用 &kAssociatedObjectKey 作為 key 值;
• 聲明 static void *kAssociatedObjectKey = &kAssociatedObjectKey; 葡盗，使用 kAssociatedObjectKey 作為 key 值螟左；
• 用selector ，使用 getter 方法的名稱(chēng)作為 key 值觅够。

@interface MyClass (Category1)
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end

#import "MyClass+Category1.h"
#import <objc/runtime.h>
@implementation MyClass (Category1)

- (void)setName:(NSString *)name{
    objc_setAssociatedObject(self, @selector(name), name, OBJC_ASSOCIATION_COPY);
}

- (NSString *)name{
    return objc_getAssociatedObject(self, _cmd);
}

@end

typedef OBJC_ENUM(uintptr_t, objc_AssociationPolicy) {
    OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN = 0,           /**< Specifies a weak reference to the associated object. */
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC = 1, /**< Specifies a strong reference to the associated object. 
                                            *   The association is not made atomically. */
    OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC = 3,   /**< Specifies that the associated object is copied. 
                                            *   The association is not made atomically. */
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN = 01401,       /**< Specifies a strong reference to the associated object.
                                            *   The association is made atomically. */
    OBJC_ASSOCIATION_COPY = 01403          /**< Specifies that the associated object is copied.
                                            *   The association is made atomically. */
};

如果使用OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN,當(dāng)對(duì)象的關(guān)聯(lián)對(duì)象釋放了胶背，調(diào)用objc_getAssociatedObject()會(huì)崩潰。因?yàn)?code>objc_setAssociatedObject ()存儲(chǔ)的是關(guān)聯(lián)對(duì)象的地址喘先，雖然關(guān)聯(lián)對(duì)象釋放了钳吟，但是對(duì)象存儲(chǔ)的關(guān)聯(lián)對(duì)象的地址并沒(méi)有被移除，此時(shí)調(diào)用objc_getAssociatedObject()會(huì)崩潰苹祟。所以我們?cè)谑褂萌跻玫年P(guān)聯(lián)對(duì)象時(shí)要非常小心砸抛。

關(guān)聯(lián)對(duì)象存在什么地方呢评雌？ 如何存儲(chǔ)？ 對(duì)象銷(xiāo)毀時(shí)候如何處理關(guān)聯(lián)對(duì)象呢直焙？
所有的關(guān)聯(lián)對(duì)象都是由一個(gè)類(lèi)AssociationsManager管理的景东，AssociationsManager里面是有一個(gè)靜態(tài)的AssociationsHashMap來(lái)存儲(chǔ)所有的關(guān)聯(lián)對(duì)象的。AssociationsHashMap的key是對(duì)象的指針地址奔誓，value是ObjectAssociationMap斤吐，ObjectAssociationMap也是一個(gè)哈希表，里面存放了以key為指針地址的對(duì)象的所有的關(guān)聯(lián)對(duì)象的key-value厨喂。
一個(gè)對(duì)象的所有關(guān)聯(lián)對(duì)象是在這個(gè)對(duì)象被釋放時(shí)調(diào)用的 _object_remove_assocations 函數(shù)中被移除的和措。
http://blog.leichunfeng.com/blog/2015/06/26/objective-c-associated-objects-implementation-principle/