Objective-C的動(dòng)態(tài)特性
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這篇文章主要是來領(lǐng)略下Objective-C的運(yùn)行時(shí)(runtime)吃挑，同時(shí)解釋是什么讓Objective-C如此動(dòng)態(tài)号胚，然后感受下這些動(dòng)態(tài)化的技術(shù)細(xì)節(jié)。希望這回讓你對(duì)Objective-C和Cocoa是如何運(yùn)行的有更好的了解犯助。
The Runtime
Objective-C是一門簡單的語言，95%是C维咸。只是在語言層面上加了些關(guān)鍵字和語法剂买。真正讓Objective-C如此強(qiáng)大的是它的運(yùn)行時(shí)。它很小但卻很強(qiáng)大癌蓖。它的核心是消息分發(fā)瞬哼。
Messages
如果你是從動(dòng)態(tài)語言如Ruby或Python轉(zhuǎn)過來的，可能知道什么是消息租副，可以直接跳過進(jìn)入下一節(jié)坐慰。那些從其他語言轉(zhuǎn)過來的，繼續(xù)看用僧。
執(zhí)行一個(gè)方法结胀，有些語言，編譯器會(huì)執(zhí)行一些額外的優(yōu)化和錯(cuò)誤檢查责循，因?yàn)檎{(diào)用關(guān)系很直接也很明顯糟港。但對(duì)于消息分發(fā)來說，就不那么明顯了院仿。在發(fā)消息前不必知道某個(gè)對(duì)象是否能夠處理消息秸抚。你把消息發(fā)給它，它可能會(huì)處理歹垫，也可能轉(zhuǎn)給其他的Object來處理剥汤。一個(gè)消息不必對(duì)應(yīng)一個(gè)方法，一個(gè)對(duì)象可能實(shí)現(xiàn)一個(gè)方法來處理多條消息排惨。
在Objective-C中秀姐，消息是通過objc_msgSend()這個(gè)runtime方法及相近的方法來實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)方法需要一個(gè)target若贮，selector省有，還有一些參數(shù)。理論上來說谴麦，編譯器只是把消息分發(fā)變成objc_msgSend來執(zhí)行蠢沿。比如下面這兩行代碼是等價(jià)的。
[array insertObject:foo atIndex:5];
objc_msgSend(array, @selector(insertObject:atIndex:), foo, 5);
Objects, Classes, MetaClasses
大多數(shù)面向?qū)ο蟮恼Z言里有 classes 和 objects 的概念匾效。Objects通過Classes生成舷蟀。但是在Objective-C中，classes本身也是objects(譯者注：這點(diǎn)跟python很像)，也可以處理消息野宜，這也是為什么會(huì)有類方法和實(shí)例方法扫步。具體來說，Objective-C中的Object是一個(gè)結(jié)構(gòu)體(struct)匈子，第一個(gè)成員是isa河胎，指向自己的class。這是在objc/objc.h中定義的虎敦。
typedef struct objc_object {
Class isa;
} *id;
object的class保存了方法列表游岳，還有指向父類的指針。但classes也是objects其徙，也會(huì)有isa變量胚迫，那么它又指向哪兒呢？這里就引出了第三個(gè)類型: metaclasses唾那。一個(gè) metaclass被指向class访锻，class被指向object。它保存了所有實(shí)現(xiàn)的方法列表闹获，以及父類的metaclass朗若。如果想更清楚地了解objects,classes以及metaclasses是如何一起工作地，可以閱讀這篇文章昌罩。
Methods, Selectors and IMPs
我們知道了運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)消息給對(duì)象。我們也知道一個(gè)對(duì)象的class保存了方法列表灾馒。那么這些消息是如何映射到方法的茎用，這些方法又是如何被執(zhí)行的呢？
第一個(gè)問題的答案很簡單睬罗。class的方法列表其實(shí)是一個(gè)字典轨功，key為selectors，IMPs為value容达。一個(gè)IMP是指向方法在內(nèi)存中的實(shí)現(xiàn)古涧。很重要的一點(diǎn)是，selector和IMP之間的關(guān)系是在運(yùn)行時(shí)才決定的花盐，而不是編譯時(shí)羡滑。這樣我們就能玩出些花樣。
IMP通常是指向方法的指針算芯，第一個(gè)參數(shù)是self柒昏，類型為id，第二個(gè)參數(shù)是cmd熙揍，類型為SEL职祷，余下的是方法的參數(shù)。這也是self和cmd被定義的地方。下面演示了Method和IMP
- (id)doSomethingWithInt:(int)aInt{}
id doSomethingWithInt(id self, SEL _cmd, int aInt){}
其他運(yùn)行時(shí)的方法
現(xiàn)在我們知道了objects,classes,selectors,IMPs以及消息分發(fā)有梆，那么運(yùn)行時(shí)到底能做什么呢是尖？主要有兩個(gè)作用：
創(chuàng)建、修改泥耀、自省classes和objects
消息分發(fā)
之前已經(jīng)提過消息分發(fā)饺汹，不過這只是一小部分功能。所有的運(yùn)行時(shí)方法都有特定的前綴爆袍。下面是一些有意思的方法：
class
class開頭的方法是用來修改和自省classes首繁。方法如class_addIvar, class_addMethod, class_addProperty和class_addProtocol允許重建classes。class_copyIvarList, class_copyMethodList, class_copyProtocolList和class_copyPropertyList能拿到一個(gè)class的所有內(nèi)容陨囊。而class_getClassMethod, class_getClassVariable, class_getInstanceMethod, class_getInstanceVariable, class_getMethodImplementation和class_getProperty返回單個(gè)內(nèi)容弦疮。
也有一些通用的自省方法，如class_conformsToProtocol, class_respondsToSelector, class_getSuperclass蜘醋。最后胁塞，你可以使用class_createInstance來創(chuàng)建一個(gè)object。
ivar
這些方法能讓你得到名字压语，內(nèi)存地址和Objective-C type encoding啸罢。
method
這些方法主要用來自省，比如method_getName, method_getImplementation, method_getReturnType等等胎食。也有一些修改的方法扰才，包括method_setImplementation和method_exchangeImplementations，這些我們后面會(huì)講到厕怜。
objc
一旦拿到了object衩匣，你就可以對(duì)它做一些自省和修改。你可以get/set ivar, 使用object_copy和object_dispose來copy和free object的內(nèi)存粥航。最NB的不僅是拿到一個(gè)class琅捏，而是可以使用object_setClass來改變一個(gè)object的class。待會(huì)就能看到使用場景递雀。
property
屬性保存了很大一部分信息柄延。除了拿到名字，你還可以使用property_getAttributes來發(fā)現(xiàn)property的更多信息缀程，如返回值搜吧、是否為atomic、getter/setter名字杨凑、是否為dynamic赎败、背后使用的ivar名字、是否為弱引用蠢甲。
protocol
Protocols有點(diǎn)像classes僵刮，但是精簡版的，運(yùn)行時(shí)的方法是一樣的。你可以獲取method, property, protocol列表, 檢查是否實(shí)現(xiàn)了其他的protocol搞糕。
sel
最后我們有一些方法可以處理 selectors勇吊，比如獲取名字，注冊(cè)一個(gè)selector等等窍仰。
現(xiàn)在我們對(duì)Objective-C的運(yùn)行時(shí)有了大概的了解汉规，來看看它們能做哪些有趣的事情。
Classes And Selectors From Strings
比較基礎(chǔ)的一個(gè)動(dòng)態(tài)特性是通過String來生成Classes和Selectors驹吮。Cocoa提供了NSClassFromString和NSSelectorFromString方法针史，使用起來很簡單：
Class stringclass = NSClassFromString(@"NSString");
于是我們就得到了一個(gè)string class。接下來：
NSString *myString = [stringclass stringWithString:@"Hello World"];
為什么要這么做呢碟狞？直接使用Class不是更方便啄枕？通常情況下是，但有些場景下這個(gè)方法會(huì)很有用族沃。首先频祝，可以得知是否存在某個(gè)class，NSClassFromString 會(huì)返回nil脆淹，如果運(yùn)行時(shí)不存在該class的話常空。比如可以檢查NSClassFromString(@"NSRegularExpression")是否為nil來判斷是否為iOS4.0+。
另一個(gè)使用場景是根據(jù)不同的輸入返回不同的class或method盖溺。比如你在解析一些數(shù)據(jù)漓糙，每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)都有要解析的字符串以及自身的類型（String，Number烘嘱，Array）昆禽。你可以在一個(gè)方法里搞定這些，也可以使用多個(gè)方法拙友。其中一個(gè)方法是獲取type，然后使用if來調(diào)用匹配的方法歼郭。另一種是根據(jù)type來生成一個(gè)selector遗契，然后調(diào)用之。以下是兩種實(shí)現(xiàn)方式：
- (void)parseObject:(id)object {
for (id data in object) {
if ([[data type] isEqualToString:@"String"]) {
[self parseString:[data value]];
} else if ([[data type] isEqualToString:@"Number"]) {
[self parseNumber:[data value]];
} else if ([[data type] isEqualToString:@"Array"]) {
[self parseArray:[data value]];
}
}
}
- (void)parseObjectDynamic:(id)object {
for (id data in object) {
[self performSelector:NSSelectorFromString([NSString stringWithFormat:@"parse%@:", [data type]]) withObject:[data value]];
}
}
- (void)parseString:(NSString *)aString {}
- (void)parseNumber:(NSString *)aNumber {}
- (void)parseArray:(NSString *)aArray {}
可一看到病曾，你可以把7行帶if的代碼變成1行牍蜂。將來如果有新的類型，只需增加實(shí)現(xiàn)方法即可泰涂，而不用再去添加新的 else if鲫竞。
Method Swizzling
之前我們講過，方法由兩個(gè)部分組成逼蒙。Selector相當(dāng)于一個(gè)方法的id从绘；IMP是方法的實(shí)現(xiàn)。這樣分開的一個(gè)便利之處是selector和IMP之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以被改變。比如一個(gè) IMP 可以有多個(gè) selectors 指向它僵井。
而 Method Swizzling 可以交換兩個(gè)方法的實(shí)現(xiàn)陕截。或許你會(huì)問“什么情況下會(huì)需要這個(gè)呢批什？”农曲。我們先來看下Objective-C中驻债，兩種擴(kuò)展class的途徑。首先是 subclassing。你可以重寫某個(gè)方法，調(diào)用父類的實(shí)現(xiàn)，這也意味著你必須使用這個(gè)subclass的實(shí)例，但如果繼承了某個(gè)Cocoa class，而Cocoa又返回了原先的class(比如 NSArray)炊昆。這種情況下洛搀，你會(huì)想添加一個(gè)方法到NSArray，也就是使用Category。99%的情況下這是OK的，但如果你重寫了某個(gè)方法宛蚓，就沒有機(jī)會(huì)再調(diào)用原先的實(shí)現(xiàn)了痕钢。
Method Swizzling 可以搞定這個(gè)問題任连。你可以重寫某個(gè)方法而不用繼承蚤吹，同時(shí)還可以調(diào)用原先的實(shí)現(xiàn)。通常的做法是在category中添加一個(gè)方法(當(dāng)然也可以是一個(gè)全新的class)随抠〔米牛可以通過method_exchangeImplementations這個(gè)運(yùn)行時(shí)方法來交換實(shí)現(xiàn)。來看一個(gè)demo拱她，這個(gè)demo演示了如何重寫addObject:方法來紀(jì)錄每一個(gè)新添加的對(duì)象二驰。
#import <objc/runtime.h>
@interface NSMutableArray (LoggingAddObject)
- (void)logAddObject:(id)aObject;
@end
@implementation NSMutableArray (LoggingAddObject)
+ (void)load {
Method addobject = class_getInstanceMethod(self, @selector(addObject:));
Method logAddobject = class_getInstanceMethod(self, @selector(logAddObject:));
method_exchangeImplementations(addObject, logAddObject);
}
- (void)logAddObject:(id)aobject {
[self logAddObject:aObject];
NSLog(@"Added object %@ to array %@", aObject, self);
}
@end
我們把方法交換放到了load中，這個(gè)方法只會(huì)被調(diào)用一次秉沼，而且是運(yùn)行時(shí)載入桶雀。如果指向臨時(shí)用一下，可以放到別的地方氧猬。注意到一個(gè)很明顯的遞歸調(diào)用logAddObject:背犯。這也是Method Swizzling容易把我們搞混的地方坏瘩，因?yàn)槲覀円呀?jīng)交換了方法的實(shí)現(xiàn)盅抚，所以其實(shí)調(diào)用的是addObject:
Method Swizzling
動(dòng)態(tài)繼承、交換
我們可以在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建新的class倔矾，這個(gè)特性用得不多妄均，但其實(shí)它還是很強(qiáng)大的柱锹。你能通過它創(chuàng)建新的子類，并添加新的方法丰包。
但這樣的一個(gè)子類有什么用呢禁熏？別忘了Objective-C的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：object內(nèi)部有一個(gè)叫做isa的變量指向它的class。這個(gè)變量可以被改變邑彪，而不需要重新創(chuàng)建瞧毙。然后就可以添加新的ivar和方法了〖闹ⅲ可以通過以下命令來修改一個(gè)object的class
object_setClass(myObject, [MySubclass class]);
這可以用在Key Value Observing宙彪。當(dāng)你開始o(jì)bserving an object時(shí)，Cocoa會(huì)創(chuàng)建這個(gè)object的class的subclass有巧，然后將這個(gè)object的isa指向新創(chuàng)建的subclass释漆。點(diǎn)擊這里查看更詳細(xì)的解釋。
動(dòng)態(tài)方法處理
目前為止篮迎，我們討論了方法交換男图，以及已有方法的處理。那么當(dāng)你發(fā)送了一個(gè)object無法處理的消息時(shí)會(huì)發(fā)生什么呢甜橱？很明顯逊笆，"it breaks"。大多數(shù)情況下確實(shí)如此渗鬼，但Cocoa和runtime也提供了一些應(yīng)對(duì)方法览露。
首先是動(dòng)態(tài)方法處理。通常來說譬胎，處理一個(gè)方法差牛，運(yùn)行時(shí)尋找匹配的selector然后執(zhí)行之。有時(shí)堰乔，你只想在運(yùn)行時(shí)才創(chuàng)建某個(gè)方法偏化，比如有些信息只有在運(yùn)行時(shí)才能得到。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)效果镐侯，你需要重寫+resolveInstanceMethod: 和/或 +resolveClassMethod:侦讨。如果確實(shí)增加了一個(gè)方法，記得返回YES苟翻。
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)aSelector {
if (aSelector == @selector(myDynamicMethod)) {
class_addMethod(self, aSelector, (IMP)myDynamicIMP, "v@:");
return YES;
}
return [super resolveInstanceMethod:aSelector];
}
那Cocoa在什么場景下會(huì)使用這些方法呢韵卤？Core Data用得很多。NSManagedObjects有許多在運(yùn)行時(shí)添加的屬性用來處理get/set屬性和關(guān)系崇猫。那如果Model在運(yùn)行時(shí)被改變了呢沈条？
消息轉(zhuǎn)發(fā)
如果 resolve method 返回NO，運(yùn)行時(shí)就進(jìn)入下一步驟：消息轉(zhuǎn)發(fā)诅炉。有兩種常見用例蜡歹。1) 將消息轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)可以處理該消息的object屋厘。2) 將多個(gè)消息轉(zhuǎn)發(fā)到同一個(gè)方法。
消息轉(zhuǎn)發(fā)分兩步月而。首先汗洒，運(yùn)行時(shí)調(diào)用-forwardingTargetForSelector:，如果只是想把消息發(fā)送到另一個(gè)object父款，那么就使用這個(gè)方法溢谤，因?yàn)楦咝АＨ绻胍薷南⒑┰埽敲淳鸵褂?forwardInvocation:溯香，運(yùn)行時(shí)將消息打包成NSInvocation，然后返回給你處理浓恶。處理完之后玫坛，調(diào)用invokeWithTarget:。
Cocoa有幾處地方用到了消息轉(zhuǎn)發(fā)包晰，主要的兩個(gè)地方是代理(Proxies)和響應(yīng)鏈(Responder Chain)湿镀。NSProxy是一個(gè)輕量級(jí)的class，它的作用就是轉(zhuǎn)發(fā)消息到另一個(gè)object伐憾。如果想要惰性加載object的某個(gè)屬性會(huì)很有用勉痴。NSUndoManager也有用到，不過是截取消息树肃，之后再執(zhí)行蒸矛，而不是轉(zhuǎn)發(fā)到其他的地方。
響應(yīng)鏈?zhǔn)顷P(guān)于Cocoa如何處理與發(fā)送事件與行為到對(duì)應(yīng)的對(duì)象胸嘴。比如說雏掠，使用Cmd+C執(zhí)行了copy命令，會(huì)發(fā)送-copy:到響應(yīng)鏈劣像。首先是First Responder乡话，通常是當(dāng)前的UI。如果沒有處理該消息耳奕，則轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)-nextResponder绑青。這么一直下去直到找到能夠處理該消息的object，或者沒有找到屋群，報(bào)錯(cuò)闸婴。
使用Block作為Method IMP
iOS 4.3帶來了很多新的runtime方法。除了對(duì)properties和protocols的加強(qiáng)芍躏，還帶來一組新的以 imp 開頭的方法邪乍。通常一個(gè) IMP 是一個(gè)指向方法實(shí)現(xiàn)的指針，頭兩個(gè)參數(shù)為 object(self)和selector(cmd)。iOS 4.0和Mac OS X 10.6 帶來了block溺欧，impimplementationWithBlock() 能讓我們使用block作為 IMP，下面這個(gè)代碼片段展示了如何使用block來添加新的方法柏肪。
IMP myIMP = imp_implementationWithBlock(^(id _self, NSString *string) {
NSLog(@"Hello %@", string);
});
class_addMethod([MYclass class], @selector(sayHello:), myIMP, "v@:@");
如果想知道這是如何實(shí)現(xiàn)的姐刁，可以查看這篇文章
可以看到，Objective-C 表面看起來挺簡單烦味，但還是很靈活的聂使，可以帶來很多可能性。動(dòng)態(tài)語言的優(yōu)勢(shì)在于在不擴(kuò)展語言本身的情況下做很多很靈巧的事情谬俄。比如Key Value Observing柏靶，提供了優(yōu)雅的API可以與已有的代碼無縫結(jié)合，而不需要新增語言級(jí)別的特性溃论。
希望這篇文章能讓你更深入地了解Objective-C屎蜓，在開發(fā)app時(shí)也能開闊思路，考慮更多的可能性钥勋。
