前言

OC是一種動(dòng)態(tài)語(yǔ)言璃赡，其動(dòng)態(tài)性是由Runtime API來(lái)支撐的，Runtime API提供的接口都是C語(yǔ)言的 遥倦，源碼由C谤绳、C++、匯編語(yǔ)言編寫(xiě)袒哥，想深入學(xué)習(xí)Runtime缩筛，需要先了解它底層的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如isa指針

一堡称、isa指針

• 1. 每一個(gè)繼承自NSObject的對(duì)象都有一個(gè)isa指針瞎抛，通過(guò)isa指針我們可以拿到類(lèi)/元類(lèi)的內(nèi)存地址
• 2. 在arm64架構(gòu)之前，isa就是一個(gè)普通的指針却紧，直接指向類(lèi)對(duì)象或者元類(lèi)對(duì)象桐臊，isa直接存儲(chǔ)著類(lèi)對(duì)象、元類(lèi)對(duì)象的內(nèi)存地址
• 3. 從arm64架構(gòu)開(kāi)始晓殊，對(duì)isa指針做了優(yōu)化断凶，變成了一個(gè)union共用體，使用了位域來(lái)存儲(chǔ)更多的信息挺物，isa指針內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下所示懒浮，類(lèi)對(duì)象/元類(lèi)對(duì)象的地址存儲(chǔ)在shiftcls位，shiftcls位占了33位识藤，由于是共用體砚著，所以需要對(duì)isa進(jìn)行一次&ISA_MASK的位運(yùn)算，才能將類(lèi)對(duì)象的地址取出來(lái) （為何進(jìn)行一次按位與&的運(yùn)算就能取出來(lái)shiftcls位呢???痴昧，別著急稽穆，下面會(huì)有講到）
     
     優(yōu)化后的isa.png
• 4. 所謂共用體，就是指多個(gè)成員共用同一段內(nèi)存赶撰，跟結(jié)構(gòu)體對(duì)比一下舌镶，就容易理解了：結(jié)構(gòu)體的各個(gè)成員會(huì)占用不同的內(nèi)存柱彻，互相之間沒(méi)有影響；而共用體的所有成員占用同一段內(nèi)存餐胀，修改一個(gè)成員會(huì)影響其余所有成員
• 5. 為何要進(jìn)行一次&ISA_MASK的位運(yùn)算才能將類(lèi)對(duì)象的內(nèi)存地址拿出來(lái)呢哟楷？看看下面的計(jì)算過(guò)程就明白了，按位與&的規(guī)則是：相同位的兩個(gè)數(shù)字都為1否灾，則為1卖擅；若有一個(gè)不為1，則為0

想把中間四位取出來(lái)墨技，應(yīng)該怎么取呢惩阶？
   1010  0101
&  0011  1100
----------------------
   0010  0100

只需要進(jìn)行一次 &00111100 位運(yùn)算，就可以將中間四位取出來(lái)了

這個(gè)方法用與取isa的shiftcls位的原理是一樣的扣汪，只需要 isa & ISA_MASK就可以將shiftcls位的33位給取出來(lái)了

• 6. isa指針占8個(gè)字節(jié)断楷，一共有64位，每一位都有其特殊含義崭别，如下圖所示：
     
     image.png

二冬筒、Class的結(jié)構(gòu)

• 1. 我們知道isa指針是指向類(lèi)或者元類(lèi)的，而類(lèi)和元類(lèi)的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是objc_class結(jié)構(gòu)體紊遵，objc_class的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下所示：
     
     objc_class結(jié)構(gòu)體
• 2. class_rw_t里面的methods账千、properties侥蒙、protocols是二維數(shù)組暗膜，是可讀可寫(xiě)的，包含了類(lèi)的初始內(nèi)容鞭衩、分類(lèi)的內(nèi)容
     
     class_rw_t結(jié)構(gòu)體
• 3. class_ro_t里面的baseMethodList学搜、baseProtocols、ivars论衍、baseProperties是一維數(shù)組瑞佩，是只讀的，包含了類(lèi)的初始內(nèi)容坯台，如下圖所示：
     
     class_ro_t結(jié)構(gòu)體
• 4. 上述的方法列表中炬丸，都用到了method_t結(jié)構(gòu)體，method_t結(jié)構(gòu)體是對(duì)方法的封裝蜒蕾，其內(nèi)存布局如下所示稠炬，其中IMP代表函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)；SEL代表方法名咪啡，一般叫做選擇器首启，底層結(jié)構(gòu)跟char *類(lèi)似，不同類(lèi)中相同名字的方法撤摸，所對(duì)應(yīng)的方法選擇器是相同的毅桃，可以通過(guò)@selector和sel_registerName()獲得褒纲；types包含了函數(shù)返回值、參數(shù)編碼的字符串钥飞，iOS提供了一個(gè)叫做@encode的指令莺掠，可以將具體類(lèi)型表示成字符串編碼
     
     method_t結(jié)構(gòu)體.png
     
     
     OC類(lèi)型編碼.png

三、方法緩存

• 1. Class內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有個(gè)方法緩存cache_t读宙，用散列表來(lái)緩存曾經(jīng)調(diào)用過(guò)的方法汁蝶，提高了方法的查找速度 ，cache_t的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下所示论悴，其中掖棉，_buckets是bucket_t結(jié)構(gòu)體的數(shù)組，bucket_t是用來(lái)存放方法的SEL內(nèi)存地址和IMP膀估；_mask的大小是數(shù)組大小 - 1幔亥；_occupied是當(dāng)前已緩存的方法數(shù)，即數(shù)組中已使用了多少位置
     
     cache_t結(jié)構(gòu)體.png
• 2. 散列表察纯，也叫哈希表帕棉，利用了數(shù)組支持下標(biāo)隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)的特性，通過(guò)散列函數(shù)把元素的鍵值key映射為數(shù)組的下標(biāo)饼记，然后把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在下標(biāo)對(duì)應(yīng)的位置香伴。按照鍵值key查找數(shù)據(jù)時(shí)，只需要用同樣的散列函數(shù)具则，就可以把key轉(zhuǎn)化為數(shù)組下標(biāo)即纲，進(jìn)而從數(shù)組下標(biāo)的位置取到數(shù)據(jù)，時(shí)間復(fù)雜度為O(1)博肋，如下圖所示：

將key經(jīng)過(guò)散列函數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)組下標(biāo).png

• 3. 方法緩存cache_t就是用散列表來(lái)緩存曾經(jīng)調(diào)用過(guò)的方法的低斋，使用的散列函數(shù)是@selector(方法名) & _mask的位運(yùn)算，其中@selector(方法名)是方法選擇器匪凡，_mask是散列表長(zhǎng)度 - 1膊畴，將兩者進(jìn)行一次按位與的位運(yùn)算，是為了快速算出來(lái)下標(biāo)的同時(shí)病游，保證下標(biāo)不越界
• 4. 方法緩存到 散列表 的整個(gè)存儲(chǔ)流程是這樣的：

  • (1). 當(dāng)某個(gè)方法被調(diào)用時(shí)唇跨，就會(huì)先看方法緩存cache_t的buckets中有沒(méi)有此方法：

    • 緩存中有此方法的話(huà)，就直接取出來(lái)地址然后調(diào)用衬衬，不再走方法查找流程买猖；

    • 緩存中沒(méi)有的話(huà)，就會(huì)走方法查找流程佣耐，找到方法的IMP政勃，調(diào)用此方法的同時(shí)，將方法地址緩存下來(lái)兼砖；

  • (2). 方法緩存的時(shí)候奸远，會(huì)先看cache_t中的buckets有沒(méi)有初始化：

    • 如果cache_t中的buckets已經(jīng)初始化了既棺，就會(huì)通過(guò)@selector(方法名) & _mask的位運(yùn)算，計(jì)算出數(shù)組下標(biāo)懒叛，然后將Key和IMP包裝成bucket_t結(jié)構(gòu)體丸冕，插入到buckets數(shù)組的對(duì)應(yīng)的下標(biāo)的位置；

    • 如果cache_t中的buckets沒(méi)有初始化薛窥，就會(huì)給cache_t中的buckets分配大小為4的數(shù)組胖烛，并設(shè)置_mask為3，然后通過(guò)@selector(方法名) & _mask的位運(yùn)算诅迷，計(jì)算出數(shù)組下標(biāo)再插入

  • (3). 插入到buckets數(shù)組的對(duì)應(yīng)的下標(biāo)的位置的時(shí)候佩番，會(huì)看此位置有沒(méi)有被占用：

    • 如果下標(biāo)對(duì)應(yīng)的數(shù)組位置是空的，就直接將包裝好的bucket_t結(jié)構(gòu)體插入進(jìn)去

    • 如果下標(biāo)對(duì)應(yīng)的數(shù)組位置有值了罢杉，就將數(shù)組下標(biāo) - 1趟畏，看看這個(gè)新位置是不是空的，如果是空的就插入進(jìn)去滩租；如果不是空的赋秀，就繼續(xù)將數(shù)組下標(biāo) - 1，然后比較插入律想，直到數(shù)組下標(biāo) < 0猎莲，這個(gè)時(shí)候就將數(shù)組下標(biāo)設(shè)置為_(kāi)mask，繼續(xù)整個(gè)插入過(guò)程 （_mask上面說(shuō)了是數(shù)組的長(zhǎng)度 - 1技即，所以不會(huì)有越界的風(fēng)險(xiǎn)）

  • (4). 如果buckets數(shù)組滿(mǎn)了著洼，就會(huì)進(jìn)行擴(kuò)容，擴(kuò)容為原來(lái)大小的2倍 姥份，并且會(huì)將原來(lái)緩存的方法清空

• 5. 在方法緩存的 散列表中 查找某個(gè)方法的流程是這樣的：

  • (1). 調(diào)用某個(gè)對(duì)象的方法時(shí)郭脂，會(huì)向這個(gè)對(duì)象發(fā)送一個(gè)SEL消息年碘，假設(shè)這個(gè)方法是：@selector(test)

  • (2). Runtime會(huì)去objc_class結(jié)構(gòu)體的cache方法緩存中找澈歉，會(huì)拿@selector(test)作為Key進(jìn)行一次散列函數(shù)計(jì)算，散列函數(shù)是@selector(方法名) & _mask的位運(yùn)算屿衅，經(jīng)過(guò)散列函數(shù)計(jì)算出數(shù)組的下標(biāo)埃难，假設(shè)此時(shí)算出來(lái)的下標(biāo) == 2，如下圖所示

  • (3).就會(huì)buckets數(shù)組的下標(biāo)為2的位置取出來(lái)Key涤久，與@selector(test)進(jìn)行比較：

    • 如果Key相同涡尘，說(shuō)明找對(duì)了，就會(huì)拿這個(gè)Key的IMP去調(diào)用响迂；

    • 如果Key不相同考抄，就將下標(biāo) - 1，繼續(xù)尋找相同的Key蔗彤，直到數(shù)組下標(biāo) < 0川梅，這個(gè)時(shí)候就將數(shù)組下標(biāo)設(shè)置為_mask疯兼，繼續(xù)整個(gè)查找過(guò)程 （_mask上面說(shuō)了是數(shù)組的長(zhǎng)度 - 1，所以不會(huì)有越界的風(fēng)險(xiǎn)）

buckets數(shù)組.png

• 6. 方法緩存的散列表贫途，是通過(guò)開(kāi)放尋址法來(lái)解決散列沖突的吧彪，所謂散列沖突，就是key不同的時(shí)候丢早，散列值hash(key)卻意外的相同了姨裸，方法緩存的散列沖突就是指，兩個(gè)不同的Key怨酝，經(jīng)過(guò)散列函數(shù)hash(key)：@selector(方法名) & _mask算出來(lái)了同一個(gè)數(shù)組下標(biāo)傀缩，這時(shí)候就出現(xiàn)了散列沖突，就將數(shù)組下標(biāo) - 1农猬，依次往后查找扑毡。利用散列表緩存方法，雖然會(huì)浪費(fèi)一些存儲(chǔ)空間盛险，但是卻大大提升了方法查找速度瞄摊，這也是空間換時(shí)間設(shè)計(jì)思想的具體應(yīng)用

四、OC消息發(fā)送

OC中的方法調(diào)用苦掘，其實(shí)底層轉(zhuǎn)換成了C語(yǔ)言objc_msgSend函數(shù)的調(diào)用换帜，objc_msgSend的執(zhí)行分為三大階段：消息發(fā)送、動(dòng)態(tài)方法解析鹤啡、消息轉(zhuǎn)發(fā)

• 1. 消息發(fā)送

消息發(fā)送流程

• 2. 動(dòng)態(tài)方法解析

動(dòng)態(tài)方法解析流程.png

動(dòng)態(tài)方法解析時(shí)惯驼，增加方法.png

• 3. 消息轉(zhuǎn)發(fā)

消息轉(zhuǎn)發(fā)流程.png

生成NSMethodSignature的兩種方法

五、面試題

• 1. 講一下OC的消息機(jī)制

  答 ：OC的方法調(diào)用其實(shí)都轉(zhuǎn)成了objc_msgSend函數(shù)的調(diào)用递瑰，給receiver方法調(diào)用者發(fā)送了一條@selector(方法名)消息祟牲，objc_msgSend函數(shù)底層有三大階段：消息發(fā)送、動(dòng)態(tài)方法解析抖部、消息轉(zhuǎn)發(fā)

• 2. OC的消息轉(zhuǎn)發(fā)流程是怎么樣的说贝？

  • 先用調(diào)用forwardingTargetForSelecotor:獲取另一個(gè)消息接受者，如果獲取到了就給這個(gè)新的消息接受者慎颗，發(fā)送消息乡恕；

  • 如果獲取不到新的消息接受者，就進(jìn)入調(diào)用methodSignatureForSelector:獲取方法簽名俯萎，如果獲取到了方法簽名傲宜，就調(diào)用forwardInvocation:方法，在這個(gè)方法中可以自定義任何邏輯

  • 如果拿不到方法簽名夫啊，就調(diào)用doesNotRecognizaSelector:方法函卒，拋出異常

• 3. RunTime有哪些具體應(yīng)用？

  • 利用關(guān)聯(lián)對(duì)象給分類(lèi)增加屬性

  • 遍歷類(lèi)的所有成員變量撇眯，實(shí)現(xiàn)字典轉(zhuǎn)模型报嵌、自動(dòng)歸檔解檔

  • 交換方法實(shí)現(xiàn)

  • 利用消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制躁愿，避免方法找不到而產(chǎn)生崩潰