ps:積少成多纵寝，積善成德

引言

曾經(jīng)的我并不知道運(yùn)行時(shí)這東西拢锹，因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候開(kāi)發(fā)并不是經(jīng)常用到這東西，我相信很多初出茅廬的開(kāi)發(fā)者也和我一樣鳞滨，每天雖然看似很忙，但是干的都是碼農(nóng)的活蟆淀。但是我也覺(jué)得這個(gè)過(guò)程是每個(gè)人必須經(jīng)歷的拯啦，你也不用灰心喪氣。好了熔任，不扯多了...今天我們一起來(lái)探討一下運(yùn)行時(shí)褒链。

簡(jiǎn)介

不知道你是否記得在C語(yǔ)言中當(dāng)我們是怎么調(diào)用一個(gè)函數(shù)的？我們都說(shuō)oc是一門(mén)動(dòng)態(tài)的語(yǔ)言笋敞，所以它總是想辦法把一些決定工作從編譯連接推遲到運(yùn)行時(shí)。也就是說(shuō)只有編譯器是不夠的荠瘪，還需要一個(gè)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng) (runtime system)來(lái)執(zhí)行編譯后的代碼夯巷。這就是 Objective-C Runtime 系統(tǒng)存在的意義，它是整個(gè)Objc運(yùn)行框架的一塊基石哀墓。

Runtime其實(shí)有兩個(gè)版本:“modern”和 “l(fā)egacy”趁餐。我們現(xiàn)在用的 Objective-C 2.0采用的是現(xiàn)行(Modern)版的Runtime系統(tǒng)，只能運(yùn)行在 iOS 和 OS X 10.5 之后的64位程序中篮绰。而OSX較老的32位程序仍采用 Objective-C 1中的（早期）Legacy 版本的 Runtime系統(tǒng)后雷。這兩個(gè)版本最大的區(qū)別在于當(dāng)你更改一個(gè)類(lèi)的實(shí)例變量的布局時(shí)，在早期版本中你需要重新編譯它的子類(lèi)，而現(xiàn)行版就不需要臀突。

Runtime基本是用C和匯編寫(xiě)的勉抓，可見(jiàn)蘋(píng)果為了動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的高效而作出的努力。你可以在這里下到蘋(píng)果維護(hù)的開(kāi)源代碼候学。蘋(píng)果和GNU各自維護(hù)一個(gè)開(kāi)源的runtime版本藕筋，這兩個(gè)版本之間都在努力的保持一致。

交互

Objc 從三種不同的層級(jí)上與 Runtime 系統(tǒng)進(jìn)行交互梳码，分別是通過(guò) Objective-C 源代碼隐圾，通過(guò) Foundation 框架的NSObject類(lèi)定義的方法，通過(guò)對(duì) runtime 函數(shù)的直接調(diào)用掰茶。

Objective-C源代碼

大部分情況下你就只管寫(xiě)你的Objc代碼就行暇藏，runtime 系統(tǒng)自動(dòng)在幕后辛勤勞作著。

NSObject的方法

Cocoa 中大多數(shù)類(lèi)都繼承于NSObject類(lèi)濒蒋，也就自然繼承了它的方法盐碱。最特殊的例外是NSProxy，它是個(gè)抽象超類(lèi)啊胶，它實(shí)現(xiàn)了一些消息轉(zhuǎn)發(fā)有關(guān)的方法甸各，可以通過(guò)繼承它來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)其他類(lèi)的替身類(lèi)或是虛擬出一個(gè)不存在的類(lèi)，說(shuō)白了就是領(lǐng)導(dǎo)把自己展現(xiàn)給大家風(fēng)光無(wú)限焰坪，但是把活兒都交給幕后小弟去干趣倾。

有的NSObject中的方法起到了抽象接口的作用，比如description方法需要你重載它并為你定義的類(lèi)提供描述內(nèi)容某饰。NSObject還有些方法能在運(yùn)行時(shí)獲得類(lèi)的信息儒恋，并檢查一些特性，比如class返回對(duì)象的類(lèi)黔漂；isKindOfClass:和isMemberOfClass:則檢查對(duì)象是否在指定的類(lèi)繼承體系中诫尽；respondsToSelector:檢查對(duì)象能否響應(yīng)指定的消息；conformsToProtocol:檢查對(duì)象是否實(shí)現(xiàn)了指定協(xié)議類(lèi)的方法炬守；methodForSelector:則返回指定方法實(shí)現(xiàn)的地址牧嫉。

Runtime的函數(shù)

Runtime 系統(tǒng)是一個(gè)由一系列函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成，具有公共接口的動(dòng)態(tài)共享庫(kù)减途。頭文件存放于/usr/include/objc目錄下酣藻。許多函數(shù)允許你用純C代碼來(lái)重復(fù)實(shí)現(xiàn) Objc 中同樣的功能。雖然有一些方法構(gòu)成了NSObject類(lèi)的基礎(chǔ)鳍置，但是你在寫(xiě) Objc 代碼時(shí)一般不會(huì)直接用到這些函數(shù)的辽剧，除非是寫(xiě)一些 Objc 與其他語(yǔ)言的橋接或是底層的debug工作。在Objective-C Runtime Reference中有對(duì) Runtime 函數(shù)的詳細(xì)文檔税产。

Runtime術(shù)語(yǔ)

還記得引言中的objc_msgSend:方法吧怕轿，它的真身是這樣的：

id objc_msgSend (idself, SEL op, ... );

下面將會(huì)逐漸展開(kāi)介紹一些術(shù)語(yǔ)偷崩，其實(shí)它們都對(duì)應(yīng)著數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

SEL

objc_msgSend函數(shù)第二個(gè)參數(shù)類(lèi)型為SEL撞羽，它是selector在Objc中的表示類(lèi)型（Swift中是Selector類(lèi)）阐斜。selector是方法選擇器，可以理解為區(qū)分方法的 ID放吩，而這個(gè) ID 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是SEL:

typedef struct objc_selector *SEL;

其實(shí)它就是個(gè)映射到方法的C字符串智听，你可以用 Objc 編譯器命令@selector()或者 Runtime 系統(tǒng)的sel_registerName函數(shù)來(lái)獲得一個(gè)SEL類(lèi)型的方法選擇器。

不同類(lèi)中相同名字的方法所對(duì)應(yīng)的方法選擇器是相同的渡紫，即使方法名字相同而變量類(lèi)型不同也會(huì)導(dǎo)致它們具有相同的方法選擇器到推，于是 Objc 中方法命名有時(shí)會(huì)帶上參數(shù)類(lèi)型(NSNumber一堆抽象工廠方法拿走不謝)，Cocoa 中有好多長(zhǎng)長(zhǎng)的方法哦惕澎。

id

objc_msgSend第一個(gè)參數(shù)類(lèi)型為id莉测，大家對(duì)它都不陌生，它是一個(gè)指向類(lèi)實(shí)例的指針：

typedef struct objc_object *id;

那objc_object又是啥呢：

struct objc_object { Class isa; };

objc_object結(jié)構(gòu)體包含一個(gè)isa指針唧喉，根據(jù)isa指針就可以順藤摸瓜找到對(duì)象所屬的類(lèi)捣卤。

PS:isa指針不總是指向?qū)嵗龑?duì)象所屬的類(lèi)，不能依靠它來(lái)確定類(lèi)型八孝，而是應(yīng)該用class方法來(lái)確定實(shí)例對(duì)象的類(lèi)董朝。因?yàn)镵VO的實(shí)現(xiàn)機(jī)理就是將被觀察對(duì)象的isa指針指向一個(gè)中間類(lèi)而不是真實(shí)的類(lèi)，這是一種叫做isa-swizzling的技術(shù)干跛，詳見(jiàn)官方文檔

Class

之所以說(shuō)isa是指針是因?yàn)镃lass其實(shí)是一個(gè)指向objc_class結(jié)構(gòu)體的指針：

typedef struct objc_class *Class;

而objc_class就是我們摸到的那個(gè)瓜子姜，里面的東西多著呢：

struct objc_class {

Class isa? OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__

Class super_class? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

const char*name? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

long version? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

long info? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

long instance_size? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_ivar_list *ivars? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_method_list **methodLists? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_cache *cache? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_protocol_list *protocols? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

可以看到運(yùn)行時(shí)一個(gè)類(lèi)還關(guān)聯(lián)了它的超類(lèi)指針，類(lèi)名楼入，成員變量哥捕，方法，緩存嘉熊，還有附屬的協(xié)議遥赚。

PS:OBJC2_UNAVAILABLE之類(lèi)的宏定義是蘋(píng)果在? Objc? 中對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行版本進(jìn)行約束的黑魔法，為的是兼容非Objective-C 2.0的遺留邏輯阐肤，但我們?nèi)阅軓闹蝎@得一些有價(jià)值的信息凫佛，有興趣的可以查看源代碼。

Objective-C 2.0 的頭文件雖然沒(méi)暴露出objc_class結(jié)構(gòu)體更詳細(xì)的設(shè)計(jì)孕惜，我們依然可以從Objective-C 1.0 的定義中小窺端倪：

在objc_class結(jié)構(gòu)體中：ivars是objc_ivar_list指針愧薛；methodLists是指向objc_method_list指針的指針。也就是說(shuō)可以動(dòng)態(tài)修改*methodLists的值來(lái)添加成員方法诊赊，這也是Category實(shí)現(xiàn)的原理厚满，同樣解釋了Category不能添加屬性的原因府瞄。關(guān)于二級(jí)指針碧磅，可以參考這篇文章碘箍。而最新版的 Runtime 源碼對(duì)這一塊的描述已經(jīng)有很大變化，可以參考下美團(tuán)技術(shù)團(tuán)隊(duì)的深入理解Objective-C：Category鲸郊。

PS：任性的話(huà)可以在Category中添加@dynamic的屬性丰榴，并利用運(yùn)行期動(dòng)態(tài)提供存取方法或干脆動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)；或者干脆使用關(guān)聯(lián)度對(duì)象（AssociatedObject）

其中objc_ivar_list和objc_method_list分別是成員變量列表和方法列表：

struct objc_ivar_list {

int ivar_count? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

#ifdef __LP64__

int space? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

#endif

/* variable length structure */

struct objc_ivar ivar_list[1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_method_list {

struct objc_method_list *obsolete? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

int method_count? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

#ifdef __LP64__

int space? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

#endif

/* variable length structure */

struct objc_method method_list[1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

}

如果你C語(yǔ)言不是特別好秆撮，可以直接理解為objc_ivar_list結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)著objc_ivar數(shù)組列表四濒，而objc_ivar結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)了類(lèi)的單個(gè)成員變量的信息；同理objc_method_list結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)著objc_method數(shù)組列表职辨，而objc_method結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)了類(lèi)的某個(gè)方法的信息盗蟆。

最后要提到的還有一個(gè)objc_cache，顧名思義它是緩存舒裤，它在objc_class的作用很重要喳资，在后面會(huì)講到。

不知道你是否注意到了objc_class中也有一個(gè)isa對(duì)象腾供，這是因?yàn)橐粋€(gè) ObjC 類(lèi)本身同時(shí)也是一個(gè)對(duì)象仆邓，為了處理類(lèi)和對(duì)象的關(guān)系，runtime 庫(kù)創(chuàng)建了一種叫做元類(lèi) (Meta Class) 的東西伴鳖，類(lèi)對(duì)象所屬類(lèi)型就叫做元類(lèi)节值，它用來(lái)表述類(lèi)對(duì)象本身所具備的元數(shù)據(jù)。類(lèi)方法就定義于此處榜聂，因?yàn)檫@些方法可以理解成類(lèi)對(duì)象的實(shí)例方法搞疗。每個(gè)類(lèi)僅有一個(gè)類(lèi)對(duì)象，而每個(gè)類(lèi)對(duì)象僅有一個(gè)與之相關(guān)的元類(lèi)峻汉。當(dāng)你發(fā)出一個(gè)類(lèi)似[NSObject alloc]的消息時(shí)贴汪，你事實(shí)上是把這個(gè)消息發(fā)給了一個(gè)類(lèi)對(duì)象 (Class Object) ，這個(gè)類(lèi)對(duì)象必須是一個(gè)元類(lèi)的實(shí)例休吠，而這個(gè)元類(lèi)同時(shí)也是一個(gè)根元類(lèi) (root meta class) 的實(shí)例扳埂。所有的元類(lèi)最終都指向根元類(lèi)為其超類(lèi)。所有的元類(lèi)的方法列表都有能夠響應(yīng)消息的類(lèi)方法瘤礁。所以當(dāng)[NSObject alloc]這條消息發(fā)給類(lèi)對(duì)象的時(shí)候阳懂，objc_msgSend()會(huì)去它的元類(lèi)里面去查找能夠響應(yīng)消息的方法，如果找到了柜思，然后對(duì)這個(gè)類(lèi)對(duì)象執(zhí)行方法調(diào)用岩调。

Method

Method是一種代表類(lèi)中的某個(gè)方法的類(lèi)型钝腺。

typedef struct objc_method *Method;

而objc_method在上面的方法列表中提到過(guò)，它存儲(chǔ)了方法名赞厕，方法類(lèi)型和方法實(shí)現(xiàn)：

struct objc_method {

SEL method_name? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

char* method_types? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

IMP method_imp? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

1.方法名類(lèi)型為SEL艳狐，前面提到過(guò)相同名字的方法即使在不同類(lèi)中定義，它們的方法選擇器也相同皿桑。

2.方法類(lèi)型method_types是個(gè)char指針毫目，其實(shí)存儲(chǔ)著方法的參數(shù)類(lèi)型和返回值類(lèi)型。

3.method_imp指向了方法的實(shí)現(xiàn)诲侮，本質(zhì)上是一個(gè)函數(shù)指針镀虐，后面會(huì)詳細(xì)講到。

Ivar

Ivar是一種代表類(lèi)中實(shí)例變量的類(lèi)型沟绪。

typedef struct objc_ivar *Ivar;

而objc_ivar在上面的成員變量列表中也提到過(guò)：

struct objc_ivar {

char* ivar_name? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

char* ivar_type? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

int ivar_offset? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

#ifdef __LP64__

int space? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

#endif

}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

可以根據(jù)實(shí)例查找其在類(lèi)中的名字粉私，也就是“反射”：

-(NSString*)nameWithInstance:(id)instance {

unsigned int numIvars =0;

NSString*key=nil;

Ivar * ivars = class_copyIvarList([selfclass], &numIvars);

for(int i =0; i < numIvars; i++) {

Ivar thisIvar = ivars[i];

constchar* type = ivar_getTypeEncoding(thisIvar);

NSString* stringType =? [NSStringstringWithCString:type encoding:NSUTF8StringEncoding];

if(![stringType hasPrefix:@"@"]) {

continue;

}

if((object_getIvar(self, thisIvar) == instance)) {//此處若 crash 不要慌！

key = [NSStringstringWithUTF8String:ivar_getName(thisIvar)];

break;

}

}

free(ivars);

returnkey;

}

class_copyIvarList函數(shù)獲取的不僅有實(shí)例變量近零，還有屬性诺核。但會(huì)在原本的屬性名前加上一個(gè)下劃線。

IMP

IMP在objc.h中的定義是：

typedef id(*IMP)(id, SEL, ...);

它就是一個(gè)函數(shù)指針久信，這是由編譯器生成的窖杀。當(dāng)你發(fā)起一個(gè) ObjC 消息之后，最終它會(huì)執(zhí)行的那段代碼裙士，就是由這個(gè)函數(shù)指針指定的入客。而IMP這個(gè)函數(shù)指針就指向了這個(gè)方法的實(shí)現(xiàn)。既然得到了執(zhí)行某個(gè)實(shí)例某個(gè)方法的入口腿椎，我們就可以繞開(kāi)消息傳遞階段桌硫，直接執(zhí)行方法，這在后面會(huì)提到啃炸。

你會(huì)發(fā)現(xiàn)IMP指向的方法與objc_msgSend函數(shù)類(lèi)型相同铆隘，參數(shù)都包含id和SEL類(lèi)型。每個(gè)方法名都對(duì)應(yīng)一個(gè)SEL類(lèi)型的方法選擇器南用，而每個(gè)實(shí)例對(duì)象中的SEL對(duì)應(yīng)的方法實(shí)現(xiàn)肯定是唯一的膀钠，通過(guò)一組id和SEL參數(shù)就能確定唯一的方法實(shí)現(xiàn)地址；反之亦然裹虫。

Cache

在runtime.h中Cache的定義如下：

typedef struct objc_cache *Cache;

還記得之前objc_class結(jié)構(gòu)體中有一個(gè)struct objc_cache *cache吧肿嘲，它到底是緩存啥的呢，先看看objc_cache的實(shí)現(xiàn)

struct objc_cache {

unsignedi nt mask/* total = mask + 1 */OBJC2_UNAVAILABLE;

unsigned int occupied? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

Method buckets[1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE;

};

Cache為方法調(diào)用的性能進(jìn)行優(yōu)化筑公，通俗地講雳窟，每當(dāng)實(shí)例對(duì)象接收到一個(gè)消息時(shí)，它不會(huì)直接在isa指向的類(lèi)的方法列表中遍歷查找能夠響應(yīng)消息的方法匣屡，因?yàn)檫@樣效率太低了封救，而是優(yōu)先在Cache中查找际长。Runtime 系統(tǒng)會(huì)把被調(diào)用的方法存到Cache中（理論上講一個(gè)方法如果被調(diào)用，那么它有可能今后還會(huì)被調(diào)用）兴泥，下次查找的時(shí)候效率更高。這根計(jì)算機(jī)組成原理中學(xué)過(guò)的 CPU 繞過(guò)主存先訪問(wèn)Cache的道理挺像虾宇，而我猜蘋(píng)果為提高Cache命中率應(yīng)該也做了努力吧搓彻。

Property

@property標(biāo)記了類(lèi)中的屬性，這個(gè)不必多說(shuō)大家都很熟悉嘱朽，它是一個(gè)指向objc_property結(jié)構(gòu)體的指針：

typedef struct objc_property *Property;

typedef struct objc_property *objc_property_t;//這個(gè)更常用

可以通過(guò)class_copyPropertyList和protocol_copyPropertyList方法來(lái)獲取類(lèi)和協(xié)議中的屬性：

objc_property_t*class_copyPropertyList(Class cls,unsignedint*outCount)

objc_property_t*protocol_copyPropertyList(Protocol *proto,unsignedint*outCount)

返回類(lèi)型為指向指針的指針旭贬，哈哈，因?yàn)閷傩粤斜硎莻€(gè)數(shù)組搪泳，每個(gè)元素內(nèi)容都是一個(gè)objc_property_t指針稀轨，而這兩個(gè)函數(shù)返回的值是指向這個(gè)數(shù)組的指針。

舉個(gè)栗子岸军，先聲明一個(gè)類(lèi)：

@interfaceLender :NSObject {

floatalone;

}

@propertyfloatalone;

@end

你可以用下面的代碼獲取屬性列表：

id LenderClass = objc_getClass("Lender");

unsigned int outCount;

objc_property_t *properties = class_copyPropertyList(LenderClass,&outCount);

你可以用property_getName函數(shù)來(lái)查找屬性名稱(chēng)：

const char *property_getName(objc_property_t property)

你可以用class_getProperty和protocol_getProperty通過(guò)給出的名稱(chēng)來(lái)在類(lèi)和協(xié)議中獲取屬性的引用：

objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name)

objc_property_t protocol_getProperty(Protocol *proto, const char *name, BOOL isRequiredProperty, BOOL isInstanceProperty)

你可以用property_getAttributes函數(shù)來(lái)發(fā)掘?qū)傩缘拿Q(chēng)和@encode類(lèi)型字符串：

const char *property_getAttributes(objc_property_t property)

把上面的代碼放一起奋刽，你就能從一個(gè)類(lèi)中獲取它的屬性啦：

id LenderClass = objc_getClass("Lender");

unsigned int outCount, i;

objc_property_t*properties = class_copyPropertyList(LenderClass, &outCount);

for(i =0; i < outCount; i++){

objc_property_t property = properties[i];

fprintf(stdout,"%s %s\n", property_getName(property), property_getAttributes(property));

}

對(duì)比下class_copyIvarList函數(shù)，使用class_copyPropertyList函數(shù)只能獲取類(lèi)的屬性艰赞，而不包含成員變量佣谐。但此時(shí)獲取的屬性名是不帶下劃線的。