Runtime是OC里面非常重要的一個概念，它是OC的底層實現(xiàn)两残，也正是因為Runtime，OC成為一個動態(tài)語言把跨，并且擁有了面向對象的能力人弓。這篇文章，將詳細說明Runtime的各種知識着逐，并且能夠實際運用崔赌。

• 什么是Runtime

  Runtime即運行時，也就是程序在運行的時候做的事情耸别。在iOS中健芭，有一套底層的C語言API，它是iOS內部核心之一秀姐，我們編寫的OC代碼慈迈，底層都是基于它實現(xiàn)的，OC語言在編譯后省有，都是Runtime形式的C語言代碼痒留。

學習Runtime可以使我們更加清楚地了解OC語言的底層實現(xiàn)，從而可以運用它去實現(xiàn)很多OC語言實現(xiàn)不了的功能（比如給Category添加屬性）锥咸。

• 類和對象

在沒有接觸Runtime之前狭瞎，我們對OC的類和對象只有概念上的理解，并不知道它本質上是什么〔瑁現(xiàn)在我們來看看它們的底層定義熊锭，我們先從我們經(jīng)常使用的id入手，在<objc/objc.h>中，我們找到這一段定義：

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

這里說明id是一個指向objc_object結構體的指針碗殷，而注釋又說精绎，這個指針指向一個類的實例對象，所以我們知道了锌妻，objc_object結構體就代表了一個類的實例對象：

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

objc_object這個結構體里面代乃，只有一個isa，這個isa的類型是Class仿粹，并且是不能為空的搁吓。顧名思義，這個肯定就是這個對象的類型了吭历。
然后我們再去找找Class又是什么東西：

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

這里我們可以看到堕仔，Class是一個指向objc_class結構體的指針。所以我們知道了晌区，isa是一個指向objc_class的指針摩骨，即通過它可以找到一個對象的類。所以朗若，id類型其實就是一個指向任意類型實例的指針恼五。接著，我們再去看看objc_class是什么東西：

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class super_class                       OBJC2_UNAVAILABLE;  // 父類

    const char *name                        OBJC2_UNAVAILABLE;  // 類名
    long version                            OBJC2_UNAVAILABLE;  // 類的版本信息哭懈，默認為0
    long info                               OBJC2_UNAVAILABLE;  // 類信息灾馒，供運行期使用的一些位標識

    long instance_size                      OBJC2_UNAVAILABLE;  // 類的實例變量大小
    struct objc_ivar_list *ivars            OBJC2_UNAVAILABLE;  // 類的成員變量鏈表

    struct objc_method_list **methodLists   OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法定義的鏈表
    struct objc_cache *cache                OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法緩存

    struct objc_protocol_list *protocols    OBJC2_UNAVAILABLE;  // 協(xié)議鏈表
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

我們先從第一行可以得知，OC的類里面银伟，也有一個isa指針你虹，而這個指針指向了這個類的類型，由此我們可以推斷出來彤避，其實OC的類本質上也是一個對象，因為它也有自己的類夯辖。
在OC里面琉预，每一個類的isa指針都指向它的元類，最終指向NSObject蒿褂，NSObject的元類是它自己圆米。而NSObject的父類則是nil。這張圖很好的說明了isa和super_class的區(qū)別：

• OC的消息發(fā)送

OC的方法調用底層是給某個對象發(fā)送某個方法挂捅。并且芹助，在編譯的時候并沒有確定具體調用哪個方法，只有在運行時才能確定闲先。我們來驗證一下状土，首先隨便創(chuàng)建一個空的命令行項目：

然后創(chuàng)建一個Person類，然后寫一個空的方法：

.h
@interface Person : NSObject

- (void)run;

@end

.m
- (void)run {
    
}

然后打開終端伺糠，cd到剛剛創(chuàng)建的main.m文件所在的文件夾下蒙谓，執(zhí)行clang -rewrite-objc main.m
這時候，就可以在文件夾里面看到一個main.cpp文件训桶，打開累驮，拉到最下面，就可以看到這一段代碼：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 

        Person *p = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));

        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)p, sel_registerName("run"));
    }
    return 0;
}

可以看到我們剛剛寫的方法編譯過之后全部變成了objc_msgSend的方式舵揭，甚至alloc和init方法也變成了這樣谤专。這就說明OC方法的底層調用都是objc_msgSend實現(xiàn)的，而objc_msgSend就是消息發(fā)送午绳。同時置侍，也驗證了OC底層就是用Runtime實現(xiàn)的C語言代碼。

接下來我們來研究一下這個objc_msgSend拦焚。要使用它蜡坊，得首先導入#import <objc/message.h>，然后就可以使用了赎败。但是秕衙，我們打出來這個發(fā)現(xiàn)沒有任何參數(shù)提示：

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nullable method_types                            OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP _Nonnull method_imp                                  OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

這里我們可以看到悟民，OC的方法里面坝辫，有三個東西，一個是SEL射亏，一個是char * 近忙，一個是IMP，這個char *我們知道是C語言的字符串智润，這個地方是一組描述方法的參數(shù)類型的字符數(shù)組及舍，后面我們會詳細了解這個東西，這里先不管它窟绷。SEL這個地方通過命名我們可以看出來是方法名锯玛，IMP我們就完全看不出了，它們具體是怎么定義的呢兼蜈？還是在<objc/objc.h>中：

/// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;

/// A pointer to the function of a method implementation. 
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...); 
#endif

這里攘残，我們可以看到，IMP其實就是一個指向方法實現(xiàn)的指針为狸，而SEL則是一個objc_selector結構體歼郭，源碼中我們找不到SEL的定義，經(jīng)過查閱資料得知钥平，它完全可以理解為一個char *实撒，也就是說，其實它就是方法名的字符串涉瘾，也就是一個方法的標簽。
知道這些以后捷兰，我們就可以用消息發(fā)送來改寫以前的OC代碼立叛，比如：
前面的Person類的run方法的調用：

objc_msgSend(p, @selector(run));

為了方便測試，我們給run方法寫一個簡單的實現(xiàn)：

- (void)run {
    NSLog(@"跑了");
}

然后運行一下：

完美贡茅！

甚至Person類對象的聲明都可以用發(fā)送消息的方式來完成（解耦合）：

Person *p = objc_msgSend([Person class], @selector(alloc));
p = objc_msgSend(p,@selector(init));

再運行一下秘蛇，一樣可以得到之前的結果其做，這里就不貼圖了，跟上面那個圖一樣赁还。
Runtime為我們提供了直接通過類名獲取類的函數(shù)：

objc_getClass(char * _Nonnull name);

和得到一個SEL的函數(shù)：

sel_registerName(const char * _Nonnull str);

這樣我們可以繼續(xù)改進之前的代碼：

id p = objc_msgSend(objc_msgSend(objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc")),sel_registerName("init"));
objc_msgSend(p,sel_registerName("run"));;

一樣可以運行得到結果妖泄。
到了這一步，是不是就跟我們之前看到的編譯后的OC代碼一樣了艘策？我們甚至不需要導入Person.h頭文件蹈胡，就可以直接獲取創(chuàng)建它的實例，并且執(zhí)行方法朋蔫，完成了解耦罚渐。

• OC的消息轉發(fā)（message forwarding）

看了上面的一些代碼，不知道你有沒有考慮過一個問題驯妄。發(fā)送消息的時候荷并，我們只需要填一些字符串參數(shù)之類的就可以了，完全不知道有沒有這個方法青扔，如果沒有這個方法會發(fā)生什么事情呢源织？
接下來，我們做個試驗：

直接crash掉了微猖。調用方法時谈息，如果在方法在對象的類繼承體系中沒有找到，那怎么辦励两？一般情況下黎茎，程序在運行時就會Crash掉，拋出 unrecognized selector sent to …類似這樣的異常信息当悔。但在拋出異常之前傅瞻，還有三次機會按以下順序讓你拯救程序。這就涉及到以下4個方法：

• 動態(tài)方法解析（dynamic method resolution）

首先會調用+ resolveInstanceMethod:（對應實例方法）或+ resolveClassMethod:（對應類方法）方法盲憎，讓你添加方法的實現(xiàn)嗅骄。如果你添加方法并返回YES，那系統(tǒng)在運行時就會重新啟動一次消息發(fā)送的過程饼疙。
我們這里測試一下溺森，增加一個wahaha方法的實現(xiàn)，看看是否可以順利運行窑眯，首先屏积，我們在Person.m中導入#import <objc/message.h>，然后磅甩，利用

class_addMethod(Class  _Nullable __unsafe_unretained cls,SEL  _Nonnull name,IMP  _Nonnull imp, const char * _Nullable types)

來增加一個方法及實現(xiàn)炊林，其中，第一個參數(shù)填self卷要，第二個參數(shù)填wahaha的SEL渣聚，可以用@selector(wahaha),也可以用之前用過的sel_registerName("wahaha"),第三個參數(shù)需要一個imp独榴，我們知道IMP是指向方法實現(xiàn)的指針，這里我們可以用imp_implementationWithBlock(id _Nonnull block)來實現(xiàn)奕枝，最后一個參數(shù)我們之前也見過棺榔，就是方法定義里面的的method_types，這個東西該怎么寫呢隘道？我們先去查一下官方文檔：

types
An array of characters that describe the types of the arguments to >the method. For possible values, see Objective-C Runtime >Programming Guide > Type Encodings. >Since the function must take at least two arguments—self and _cmd, the second and third characters must be “@:” (the first character is the return type).

這里面說明這個是一組描述方法的參數(shù)類型的字符數(shù)組症歇，并且，每個方法都有兩個被隱含的參數(shù)薄声，一個是self（代表當前對象）当船，一個是_cmd（代表當前對象的SEL），所以第二個和第三個字符必須是@和:默辨，而第一個字符是返回值德频，所以一個沒有參數(shù)的方法，它的types就是"v@:"缩幸。至于什么類型對應什么字符壹置，可以去上面的鏈接中找。所以我們這里可以直接用"v@:"表谊。

//如果增加了方法并返回YES钞护，就會重新發(fā)送消息并處理，返回NO爆办，則進入下一步
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
    if (sel == sel_registerName("wahaha")) {
        class_addMethod(self, sel_registerName("wahaha"), imp_implementationWithBlock(^(){
            NSLog(@"wahaha");
        }), "v@:");
    }
    return YES;
}

運行結果：

怎么樣难咕，是不是很神奇？如果上面返回NO距辆，則會進入完整的消息轉發(fā)機制（full forwarding mechanism）余佃，這里又分為兩個步驟：

• 快速消息轉發(fā) （Fast Forwarding）

這個時候，如果實現(xiàn)了- forwardingTargetForSelector:方法跨算，系統(tǒng)就會進入該方法繼續(xù)處理消息爆土，這個方法的作用是把之前沒辦法處理的消息轉發(fā)給別的對象去處理：

//返回一個對象繼續(xù)處理消息
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
    if (aSelector == sel_registerName("wahaha")) {
        return [Dog new];
    }
    return nil;
}

這里我們新建了一個Dog類，實現(xiàn)了wahaha方法诸蚕，所以我們直接返回一個Dog的實例步势，最后運行結果如上，這里就不貼圖了背犯。

• 普通消息轉發(fā)（Normal Forwarding）

如果上一步也沒有對消息進行處理坏瘩，則會進入最后一步，這里涉及到兩個方法漠魏。它首先調用methodSignatureForSelector:方法來獲取函數(shù)的參數(shù)和返回值桑腮，如果返回為nil，程序會Crash掉蛉幸，并拋出unrecognized selector sent to instance異常信息破讨。如果返回一個函數(shù)簽名，系統(tǒng)就會創(chuàng)建一個NSInvocation對象并調用-forwardInvocation:方法奕纫。我們同樣在這里對之前的消息進行處理一次：

//返回方法簽名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
    if (aSelector == sel_registerName("wahaha")) {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
    }
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

//轉發(fā)消息
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    SEL sel = anInvocation.selector;
    Dog *dog = [Dog new];
    if ([dog respondsToSelector:sel]) {
        [anInvocation invokeWithTarget:dog];
    }
}

以上就是OC消息傳遞過程中發(fā)生的事情提陶，利用這些我們可以在很多地方對一個消息做處理。但是我們該怎么選擇呢匹层？

1. 動態(tài)方法解析：由于Method Resolution不能像消息轉發(fā)那樣可以交給其他對象來處理隙笆，所以只適用于在原來的類中代替掉。
2. 快速消息轉發(fā)：其他對象升筏，使用范圍更廣撑柔，不只是限于原來的對象。
3. 普通消息轉發(fā)：它一樣可以消息轉發(fā)您访，但它能通過NSInvocation對象獲取更多消息發(fā)送的信息铅忿，例如：target、selector灵汪、arguments和返回值等信息檀训。

同時需要注意的是，消息轉發(fā)過程中享言，步驟越往后峻凫，處理消息的代價就越大，最好能在第一步就處理完览露，這樣的話荧琼，運行期系統(tǒng)可以將此方法緩存。如果這個類的實例還會再接收到同名選擇子差牛，那么根本無須再次啟動消息轉發(fā)流程命锄。
通過消息發(fā)送，我們其實已經(jīng)對Runtime做了一個簡單的運用了多糠。接下來累舷，我們再多一些探討。

• Runtime可以做什么夹孔？

1. 在程序運行的時候動態(tài)添加一個類
2. 在程序運行的時候動態(tài)的修改一個類的屬性和方法
3. 在程序運行的時候遍歷一個類的所有屬性

Runtime有很多方法被盈，可以在文檔中一一查看，不同功能的方法通過前綴區(qū)分搭伤，比如說class_就是對類的操作只怎，objc_就是對對象的操作，等等怜俐，都比較好理解身堡。

了解這些以后，我們再回頭看之前提過的一個問題拍鲤，就是給Category增加屬性贴谎。
我們先看一下汞扎，如果直接給Category增加屬性會發(fā)生什么，我們給Person類創(chuàng)建一個Play分類擅这，然后添加一個屬性：

@interface Person (Play)

@property (nonatomic, strong) NSString *gameName;

@end

但是我們使用的時候會發(fā)現(xiàn)澈魄，直接就Crash了：

- (NSString *)gameName{
    return objc_getAssociatedObject(self, _cmd);
}
- (void)setGameName:(NSString *)gameName {
    objc_setAssociatedObject(self, @selector(gameName), gameName, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
}

再次運行结笨，就可以正常使用這個屬性了：

通過以上簡單的例子，我們可以看得出來昂秃，Runtime是OC代碼的底層實現(xiàn)禀梳，所以很多OC代碼不支持的事情，我們都可以通過Runtime自己去實現(xiàn)肠骆，具體在什么場景下使用要根據(jù)實際需求做具體分析算途。接下來屁使，我會用Runtime和之前Block種提到的相關技術自己實現(xiàn)KVO舌菜，并且進行一些改造。另外轴猎，本篇文章的代碼可以在我的github上查看莉钙，點擊前往廓脆。