摘要：這篇文章首先介紹runtime原理，包括類，超類徘六，元類泉褐，super_class，isa涯鲁，對象，方法，SEL尊勿，IMP等概念，同時分別介紹與這些概念有關(guān)的API畜侦。接著介紹方法調(diào)用流程元扔，以及尋找IMP的過程。然后旋膳，介紹一下這些API的常見用法澎语，并介紹runtime的冷門知識。最后介紹一下runtime的實戰(zhàn)指南。

1. 運行時

1.1 基本概念: 運行時

Runtime 的概念

Runtime 又叫運行時擅羞，是一套底層的 C 語言 API盯孙，其為 iOS 內(nèi)部的核心之一，我們平時編寫的 OC 代碼祟滴，底層都是基于它來實現(xiàn)的振惰。比如：

以上你可能看不出它的價值，但是我們需要了解的是 Objective-C 是一門動態(tài)語言垄懂，它會將一些工作放在代碼運行時才處理而并非編譯時骑晶。也就是說，有很多類和成員變量在我們編譯的時是不知道的草慧，而在運行時桶蛔，我們所編寫的代碼會轉(zhuǎn)換成完整的確定的代碼運行。

因此漫谷，編譯器是不夠的仔雷，我們還需要一個運行時系統(tǒng)(Runtime system)來處理編譯后的代碼。Runtime 基本是用 C 和匯編寫的舔示，由此可見蘋果為了動態(tài)系統(tǒng)的高效而做出的努力碟婆。蘋果和 GNU 各自維護(hù)一個開源的 Runtime 版本，這兩個版本之間都在努力保持一致惕稻。

Runtime 的作用

Objc 在三種層面上與 Runtime 系統(tǒng)進(jìn)行交互：

通過 Objective-C 源代碼

通過 Foundation 框架的 NSObject 類定義的方法

通過對 Runtime 庫函數(shù)的直接調(diào)用

1.2 各種基本概念的C表達(dá)

在 Objective-C 中竖共，類、對象和方法都是一個 C 的結(jié)構(gòu)體俺祠，從 ?objc/objc.h（對象公给，objc_object，id）以及objc/runtime.h（其它蜘渣，類淌铐，方法，方法列表蔫缸，變量列表腿准，屬性列表等相關(guān)的）以及中，我們可以找到他們的定義捂龄。

① 類

類對象(Class)是由程序員定義并在運行時由編譯器創(chuàng)建的释涛，它沒有自己的實例變量，這里需要注意的是類的成員變量和實例方法列表是屬于實例對象的倦沧，但其存儲于類對象當(dāng)中的唇撬。我們在objc/objc.h下看看Class的定義:

Class

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可以看到類是由Class類型來表示的，它是一個objc_class結(jié)構(gòu)類型的指針喝噪。我們接著來看objc_class結(jié)構(gòu)體的定義:

objc_class

參數(shù)解析

isa指針是和Class同類型的objc_class結(jié)構(gòu)指針础嫡，類對象的指針指向其所屬的類，即元類酝惧。元類中存儲著類對象的類方法榴鼎，當(dāng)訪問某個類的類方法時會通過該isa指針從元類中尋找方法對應(yīng)的函數(shù)指針。

super_class指針指向該類所繼承的父類對象晚唇，如果該類已經(jīng)是最頂層的根類(如NSObject或NSProxy), 則 super_class為NULL巫财。

cache：用于緩存最近使用的方法。一個接收者對象接收到一個消息時哩陕，它會根據(jù)isa指針去查找能夠響應(yīng)這個消息的對象平项。在實際使用中，這個對象只有一部分方法是常用的悍及，很多方法其實很少用或者根本用不上闽瓢。這種情況下，如果每次消息來時并鸵，我們都是methodLists中遍歷一遍鸳粉，性能勢必很差扔涧。這時园担，cache就派上用場了。在我們每次調(diào)用過一個方法后枯夜，這個方法就會被緩存到cache列表中弯汰，下次調(diào)用的時候runtime就會優(yōu)先去cache中查找，如果cache沒有湖雹，才去methodLists中查找方法咏闪。這樣，對于那些經(jīng)常用到的方法的調(diào)用摔吏，但提高了調(diào)用的效率鸽嫂。

version：我們可以使用這個字段來提供類的版本信息。這對于對象的序列化非常有用征讲，它可是讓我們識別出不同類定義版本中實例變量布局的改變据某。

protocols：當(dāng)然可以看出這一個objc_protocol_list的指針。關(guān)于objc_protocol_list的結(jié)構(gòu)體構(gòu)成后面會講诗箍。

獲取類的類名

實例對象是我們對類對象alloc或者new操作時所創(chuàng)建的癣籽，在這個過程中會拷貝實例所屬的類的成員變量，但并不拷貝類定義的方法。調(diào)用實例方法時筷狼，系統(tǒng)會根據(jù)實例的isa指針去類的方法列表及父類的方法列表中尋找與消息對應(yīng)的selector指向的方法瓶籽。同樣的，我們也來看下其定義:

objc_object

可以看到埂材，這個結(jié)構(gòu)體只有一個isa變量塑顺，指向?qū)嵗龑ο笏鶎俚念悺Ｈ魏螏в幸灾羔橀_始并指向類結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)都可以被視作objc_object, 對象最重要的特點是可以給其發(fā)送消息俏险。 NSObject類的alloc和allocWithZone:方法使用函數(shù)class_createInstance來創(chuàng)建objc_object數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)茬暇。

另外我們常見的id類型，它是一個objc_object結(jié)構(gòu)類型的指針寡喝。該類型的對象可以轉(zhuǎn)換為任何一種對象糙俗，類似于C語言中void *指針類型的作用。其定義如下所示:

id

元類(Metaclass)就是類對象的類预鬓，每個類都有自己的元類巧骚，也就是objc_class結(jié)構(gòu)體里面isa指針?biāo)赶虻念? Objective-C的類方法是使用元類的根本原因，因為其中存儲著對應(yīng)的類對象調(diào)用的方法即類方法格二。

當(dāng)向?qū)ο蟀l(fā)消息劈彪，runtime會在這個對象所屬類方法列表中查找發(fā)送消息對應(yīng)的方法，但當(dāng)向類發(fā)送消息時顶猜，runtime就會在這個類的meta class方法列表里查找沧奴。所有的meta class，包括Root class长窄，Superclass滔吠，Subclass的isa都指向Root class的meta class，這樣能夠形成一個閉環(huán)挠日。

所以由上圖可以看到疮绷，在給實例對象或類對象發(fā)送消息時，尋找方法列表的規(guī)則為:

當(dāng)發(fā)送消息給實例對象時嚣潜，消息是在尋找這個對象的類的方法列表(實例方法)

當(dāng)發(fā)送消息給類對象時冬骚，消息是在尋找這個類的元類的方法列表(類方法)

元類，就像之前的類一樣懂算，它也是一個對象只冻，也可以調(diào)用它的方法。所以這就意味著它必須也有一個類计技。所有的元類都使用根元類作為他們的類喜德。比如所有NSObject的子類的元類都會以NSObject的元類作為他們的類。

根據(jù)這個規(guī)則酸役，所有的元類使用根元類作為他們的類住诸，根元類的元類則就是它自己驾胆。也就是說基類的元類的isa指針指向他自己。

操作函數(shù)

super_class和meta-class

在Objective-C中贱呐，屬性(property)和成員變量是不同的丧诺。那么，屬性的本質(zhì)是什么奄薇？它和成員變量之間有什么區(qū)別驳阎？簡單來說屬性是添加了存取方法的成員變量，也就是:

@property = ivar + getter + setter;

因此馁蒂，我們每定義一個@property都會添加對應(yīng)的ivar, getter和setter到類結(jié)構(gòu)體objc_class中呵晚。具體來說，系統(tǒng)會在objc_ivar_list中添加一個成員變量的描述沫屡，然后在methodLists中分別添加setter和getter方法的描述饵隙。下面的objc_property_t是聲明的屬性的類型，是一個指向objc_property結(jié)構(gòu)體的指針沮脖。

用法舉例

另外金矛，關(guān)于屬性有一個objc_property_attribute_t結(jié)構(gòu)體列表，objc_property_attribute_t結(jié)構(gòu)體包含name和value

objc_property_attribute_t

常用的屬性如下：

屬性類型 name值：T value：變化

編碼類型 name值：C(copy) &(strong) W(weak)空(assign) 等 value：無

非/原子性 name值：空(atomic) N(Nonatomic) value：無

變量名稱 name值：V value：變化

例如

⑤ 成員變量

Ivar: 實例變量類型勺届，是一個指向objc_ivar結(jié)構(gòu)體的

指針

Ivar

在objc_class中驶俊，所有的成員變量、屬性的信息是放在鏈表ivars中的免姿。ivars是一個數(shù)組饼酿，數(shù)組中每個元素是指向Ivar(變量信息)的指針。

objc_ivar_list

其中胚膊，

方法名類型為 SEL

方法類型 method_types 是個 char 指針故俐，存儲方法的參數(shù)類型和返回值類型

method_imp 指向了方法的實現(xiàn)，本質(zhì)是一個函數(shù)指針

簡言之澜掩，Method = SEL + IMP + method_types购披，相當(dāng)于在SEL和IMP之間建立了一個映射。

操作函數(shù)

在源碼中沒有直接找到 objc_selector 的定義肩榕，從一些書籍上與 Blog 上看到可以將 SEL 理解為一個 char* 指針。

具體這 objc_selector 結(jié)構(gòu)體是什么取決與使用GNU的還是Apple的運行時惩妇， 在Mac OS X中SEL其實被映射為一個C字符串株汉，可以看作是方法的名字，它并不一個指向具體方法實現(xiàn)（IMP類型才是）歌殃。

對于所有的類乔妈，只要方法名是相同的，產(chǎn)生的selector都是一樣的氓皱。

操作函數(shù)

實際上就是一個函數(shù)指針路召，指向方法實現(xiàn)的首地址勃刨。通過取得 IMP，我們可以跳過 runtime 的消息傳遞機制股淡，直接執(zhí)行 IMP指向的函數(shù)實現(xiàn)身隐，這樣省去了 runtime 消息傳遞過程中所做的一系列查找操作，會比直接向?qū)ο蟀l(fā)送消息高效一些唯灵，當(dāng)然必須說明的是贾铝，這種方式只適用于極特殊的優(yōu)化場景，如效率敏感的場景下大量循環(huán)的調(diào)用某方法埠帕。

操作函數(shù)

上面提到了objc_class結(jié)構(gòu)體中的cache字段垢揩，它用于緩存調(diào)用過的方法。這個字段是一個指向objc_cache結(jié)構(gòu)體的指針敛瓷，其定義如下：

Cache

該結(jié)構(gòu)體的字段描述如下：

mask：一個整數(shù)叁巨，指定分配的緩存bucket的總數(shù)。在方法查找過程中呐籽，Objective-C runtime使用這個字段來確定開始線性查找數(shù)組的索引位置俘种。指向方法selector的指針與該字段做一個AND位操作(index = (mask & selector))。這可以作為一個簡單的hash散列算法绝淡。

occupied：一個整數(shù)宙刘，指定實際占用的緩存bucket的總數(shù)。

buckets：指向Method數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針的數(shù)組牢酵。這個數(shù)組可能包含不超過mask+1個元素悬包。需要注意的是，指針可能是NULL馍乙，表示這個緩存bucket沒有被占用布近，另外被占用的bucket可能是不連續(xù)的。這個數(shù)組可能會隨著時間而增長丝格。

? 協(xié)議鏈表

前面objc_class的結(jié)構(gòu)體中有個協(xié)議鏈表的參數(shù)撑瞧，協(xié)議鏈表用來存儲聲明遵守的正式協(xié)議

objc_protocol_list

2. 方法調(diào)用流程

objc_msgSend() Tour 系列文章通過對 objc_msgSend 的匯編源碼分析，總結(jié)出以下流程：

2.1 方法調(diào)用流程

檢查 selector 是否需要忽略

檢查 target 是否為 nil显蝌，如果是 nil 就直接 cleanup预伺，然后 return

在 target 的 Class 中根據(jù) selector 去找 IMP

2.2 尋找 IMP 的過程:

在當(dāng)前 class 的方法緩存里尋找（cache methodLists）

找到了跳到對應(yīng)的方法實現(xiàn)，沒找到繼續(xù)往下執(zhí)行

從當(dāng)前 class 的 方法列表里查找（methodLists）曼尊，找到了添加到緩存列表里酬诀，然后跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的方法實現(xiàn)；沒找到繼續(xù)往下執(zhí)行

從 superClass 的緩存列表和方法列表里查找骆撇，直到找到基類為止

以上步驟還找不到 IMP瞒御，則進(jìn)入消息動態(tài)處理和消息轉(zhuǎn)發(fā)流程，詳見請關(guān)注微信公眾號：程序員大牛神郊！

我們能在? objc4官方源碼?中找到上述尋找 IMP 的過程肴裙，具體對應(yīng)的代碼如下：

objc-class.mm

3. 運行時相關(guān)的API

3.1 通過 Foundation 框架的 NSObject 類定義的方法

Cocoa 程序中絕大部分類都是 NSObject 類的子類趾唱，所以都繼承了 NSObject 的行為。(NSProxy 類時個例外蜻懦，它是個抽象超類)

一些情況下甜癞，NSObject 類僅僅定義了完成某件事情的模板，并沒有提供所需要的代碼阻肩。例如 -description 方法带欢，該方法返回類內(nèi)容的字符串表示，該方法主要用來調(diào)試程序烤惊。NSObject 類并不知道子類的內(nèi)容乔煞，所以它只是返回類的名字和對象的地址，NSObject 的子類可以重新實現(xiàn)柒室。

還有一些 NSObject 的方法可以從 Runtime 系統(tǒng)中獲取信息渡贾，允許對象進(jìn)行自我檢查。例如：

-class方法返回對象的類雄右；

-isKindOfClass: 和 -isMemberOfClass: 方法檢查對象是否存在于指定的類的繼承體系中(是否是其子類或者父類或者當(dāng)前類的成員變量)空骚；

-respondsToSelector: 檢查對象能否響應(yīng)指定的消息；

-conformsToProtocol:檢查對象是否實現(xiàn)了指定協(xié)議類的方法擂仍；

-methodForSelector: 返回指定方法實現(xiàn)的地址囤屹。

常見的一個例子：

id 和 void * 轉(zhuǎn)換API：(__bridge void *)

在 ARC 有效時，通過 (__bridge void *)轉(zhuǎn)換 id 和 void * 就能夠相互轉(zhuǎn)換逢渔。為什么轉(zhuǎn)換肋坚？這是因為objc_getAssociatedObject的參數(shù)要求的。先看一下它的API：

可以知道肃廓，這個“屬性名”的key是必須是一個void *類型的參數(shù)智厌。所以需要轉(zhuǎn)換。關(guān)于這個轉(zhuǎn)換盲赊，下面給一個轉(zhuǎn)換的例子：

4. 運行時實戰(zhàn)指南

上面的API不是提供大家背的铣鹏，而是用來查閱的，當(dāng)你要用到的時候查閱哀蘑。因為這些原理和API光看沒用诚卸，需要實戰(zhàn)之后再回過頭來查閱和理解。筆者另外寫了runtime的原理與實踐递礼。如果想了解runtime的更多知識惨险，可以關(guān)注微信公眾號：程序員大牛，每天分享干貨脊髓！