深入理解Objective-C：Category(上)

鏈接：http://tech.meituan.com/DiveIntoCategory.html

摘要

無論一個(gè)類設(shè)計(jì)的多么完美卵牍，在未來的需求演進(jìn)中，都有可能會(huì)碰到一些無法預(yù)測的情況兔魂。那怎么擴(kuò)展已有的類呢对蒲？一般而言搓侄，繼承和組合是不錯(cuò)的選擇饥脑。但是在Objective-C 2.0中四啰，又提供了category這個(gè)語言特性歇攻，可以動(dòng)態(tài)地為已有類添加新行為。如今category已經(jīng)遍布于Objective-C代碼的各個(gè)角落亲桥，從Apple官方的framework到各個(gè)開源框架，從功能繁復(fù)的大型APP到簡單的應(yīng)用固耘，catagory無處不在题篷。本文對category做了比較全面的整理，希望對讀者有所裨益厅目。

簡介

本文作者來自美團(tuán)酒店旅游事業(yè)群iOS研發(fā)組番枚。我們致力于創(chuàng)造價(jià)值法严、提升效率、追求卓越葫笼。歡迎大家加入我們（簡歷請發(fā)送到郵箱majia03@meituan.com）深啤。

本文系學(xué)習(xí)Objective-C的runtime源碼時(shí)整理所成，主要剖析了category在runtime層的實(shí)現(xiàn)原理以及和category相關(guān)的方方面面路星，內(nèi)容包括：

初入寶地-category簡介

連類比事-category和extension

挑燈細(xì)覽-category真面目

追本溯源-category如何加載

旁枝末葉-category和+load方法

觸類旁通-category和方法覆蓋

更上一層-category和關(guān)聯(lián)對象

1溯街、初入寶地-category簡介

category是Objective-C 2.0之后添加的語言特性，category的主要作用是為已經(jīng)存在的類添加方法洋丐。除此之外呈昔，apple還推薦了category的另外兩個(gè)使用場景1

可以把類的實(shí)現(xiàn)分開在幾個(gè)不同的文件里面。這樣做有幾個(gè)顯而易見的好處友绝，a)可以減少單個(gè)文件的體積 b)可以把不同的功能組織到不同的category里 c)可以由多個(gè)開發(fā)者共同完成一個(gè)類 d)可以按需加載想要的category 等等堤尾。

聲明私有方法

不過除了apple推薦的使用場景，廣大開發(fā)者腦洞大開迁客，還衍生出了category的其他幾個(gè)使用場景：

模擬多繼承

把framework的私有方法公開

Objective-C的這個(gè)語言特性對于純動(dòng)態(tài)語言來說可能不算什么郭宝，比如javascript，你可以隨時(shí)為一個(gè)“類”或者對象添加任意方法和實(shí)例變量掷漱。但是對于不是那么“動(dòng)態(tài)”的語言而言粘室，這確實(shí)是一個(gè)了不起的特性。

2切威、連類比事-category和extension

extension看起來很像一個(gè)匿名的category育特，但是extension和有名字的category幾乎完全是兩個(gè)東西。 extension在編譯期決議先朦，它就是類的一部分缰冤，在編譯期和頭文件里的@interface以及實(shí)現(xiàn)文件里的@implement一起形成一個(gè)完整的類，它伴隨類的產(chǎn)生而產(chǎn)生喳魏，亦隨之一起消亡棉浸。extension一般用來隱藏類的私有信息，你必須有一個(gè)類的源碼才能為一個(gè)類添加extension刺彩，所以你無法為系統(tǒng)的類比如NSString添加extension迷郑。（詳見2）

但是category則完全不一樣，它是在運(yùn)行期決議的创倔。

就category和extension的區(qū)別來看嗡害，我們可以推導(dǎo)出一個(gè)明顯的事實(shí)，extension可以添加實(shí)例變量畦攘，而category是無法添加實(shí)例變量的（因?yàn)樵谶\(yùn)行期霸妹，對象的內(nèi)存布局已經(jīng)確定，如果添加實(shí)例變量就會(huì)破壞類的內(nèi)部布局知押，這對編譯型語言來說是災(zāi)難性的）叹螟。

3鹃骂、挑燈細(xì)覽-category真面目

我們知道，所有的OC類和對象罢绽，在runtime層都是用struct表示的畏线，category也不例外，在runtime層良价，category用結(jié)構(gòu)體category_t（在objc-runtime-new.h中可以找到此定義）寝殴，它包含了

1)、類的名字（name）

2)棚壁、類（cls）

3)杯矩、category中所有給類添加的實(shí)例方法的列表（instanceMethods）

4)、category中所有添加的類方法的列表（classMethods）

5)袖外、category實(shí)現(xiàn)的所有協(xié)議的列表（protocols）

6)史隆、category中添加的所有屬性（instanceProperties）

typedef struct category_t {

? ?const char *name;

? ?classref_t cls;

? ?struct method_list_t *instanceMethods;

? ?struct method_list_t *classMethods;

? ?struct protocol_list_t *protocols;

? ?struct property_list_t *instanceProperties;

} category_t;

從category的定義也可以看出category的可為（可以添加實(shí)例方法，類方法曼验，甚至可以實(shí)現(xiàn)協(xié)議泌射，添加屬性）和不可為（無法添加實(shí)例變量）。

ok鬓照，我們先去寫一個(gè)category看一下category到底為何物：

MyClass.h：

#import

@interface MyClass : NSObject

- (void)printName;

@end

@interface MyClass(MyAddition)

@property(nonatomic, copy) NSString *name;

- (void)printName;

@end

MyClass.m：

#import "MyClass.h"

@implementation MyClass

- (void)printName

{

NSLog(@"%@",@"MyClass");

}

@end

@implementation MyClass(MyAddition)

- (void)printName

{

NSLog(@"%@",@"MyAddition");

}

@end

我們使用clang的命令去看看category到底會(huì)變成什么：

clang -rewrite-objc MyClass.m

好吧熔酷，我們得到了一個(gè)3M大小，10w多行的.cpp文件（這絕對是Apple值得吐槽的一點(diǎn)）豺裆，我們忽略掉所有和我們無關(guān)的東西拒秘，在文件的最后，我們找到了如下代碼片段：

static struct /*_method_list_t*/ {

unsigned int entsize; ?// sizeof(struct _objc_method)

unsigned int method_count;

struct _objc_method method_list[1];

} _OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {

sizeof(_objc_method),

1,

{{(struct objc_selector *)"printName", "v16@0:8", (void *)_I_MyClass_MyAddition_printName}}

};

static struct /*_prop_list_t*/ {

unsigned int entsize; ?// sizeof(struct _prop_t)

unsigned int count_of_properties;

struct _prop_t prop_list[1];

} _OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {

sizeof(_prop_t),

1,

{{"name","T@"NSString",C,N"}}

};

extern "C" __declspec(dllexport) struct _class_t OBJC_CLASS_$_MyClass;

static struct _category_t _OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) =

{

"MyClass",

0, // &OBJC_CLASS_$_MyClass,

(const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition,

0,

0,

(const struct _prop_list_t *)&_OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition,

};

static void OBJC_CATEGORY_SETUP_$_MyClass_$_MyAddition(void ) {

_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition.cls = &OBJC_CLASS_$_MyClass;

}

#pragma section(".objc_inithooks$B", long, read, write)

__declspec(allocate(".objc_inithooks$B")) static void *OBJC_CATEGORY_SETUP[] = {

(void *)&OBJC_CATEGORY_SETUP_$_MyClass_$_MyAddition,

};

static struct _class_t *L_OBJC_LABEL_CLASS_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_classlist,regular,no_dead_strip")))= {

&OBJC_CLASS_$_MyClass,

};

static struct _class_t *_OBJC_LABEL_NONLAZY_CLASS_$[] = {

&OBJC_CLASS_$_MyClass,

};

static struct _category_t *L_OBJC_LABEL_CATEGORY_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_catlist,regular,no_dead_strip")))= {

&_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition,

};

我們可以看到臭猜，

1)躺酒、首先編譯器生成了實(shí)例方法列表OBJC$_CATEGORY_INSTANCE_METHODSMyClass$_MyAddition和屬性列表OBJC$_PROP_LISTMyClass$_MyAddition，兩者的命名都遵循了公共前綴+類名+category名字的命名方式蔑歌，而且實(shí)例方法列表里面填充的正是我們在MyAddition這個(gè)category里面寫的方法printName羹应，而屬性列表里面填充的也正是我們在MyAddition里添加的name屬性。還有一個(gè)需要注意到的事實(shí)就是category的名字用來給各種列表以及后面的category結(jié)構(gòu)體本身命名次屠，而且有static來修飾园匹，所以在同一個(gè)編譯單元里我們的category名不能重復(fù)，否則會(huì)出現(xiàn)編譯錯(cuò)誤劫灶。

2)裸违、其次，編譯器生成了category本身OBJC$_CATEGORYMyClass$_MyAddition本昏，并用前面生成的列表來初始化category本身供汛。

3)、最后，編譯器在DATA段下的objc_catlist section里保存了一個(gè)大小為1的category_t的數(shù)組L_OBJC_LABELCATEGORY$（當(dāng)然紊馏，如果有多個(gè)category，會(huì)生成對應(yīng)長度的數(shù)組^_^）蒲犬，用于運(yùn)行期category的加載朱监。

到這里，編譯器的工作就接近尾聲了原叮，對于category在運(yùn)行期怎么加載赫编，我們下節(jié)揭曉。

4奋隶、追本溯源-category如何加載

我們知道擂送，Objective-C的運(yùn)行是依賴OC的runtime的，而OC的runtime和其他系統(tǒng)庫一樣唯欣，是OS X和iOS通過dyld動(dòng)態(tài)加載的嘹吨。

想了解更多dyld地同學(xué)可以移步這里（3）。

對于OC運(yùn)行時(shí)境氢，入口方法如下（在objc-os.mm文件中）：

void _objc_init(void)

{

? ?static bool initialized = false;

? ?if (initialized) return;

? ?initialized = true;

// fixme defer initialization until an objc-using image is found?

environ_init();

tls_init();

lock_init();

exception_init();

// Register for unmap first, in case some +load unmaps something

_dyld_register_func_for_remove_image(&unmap_image);

dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_bound,

1/*batch*/, &map_images);

dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_dependents_initialized, 0/*not batch*/, &load_images);

}

category被附加到類上面是在map_images的時(shí)候發(fā)生的蟀拷，在new-ABI的標(biāo)準(zhǔn)下，_objc_init里面的調(diào)用的map_images最終會(huì)調(diào)用objc-runtime-new.mm里面的_read_images方法萍聊，而在_read_images方法的結(jié)尾问芬，有以下的代碼片段：

? ?for (EACH_HEADER) {

? ? ? ?category_t **catlist =

? ? ? ? ? ?_getObjc2CategoryList(hi, &count);

? ? ? ?for (i = 0; i category_t *cat = catlist[i];

? ? ? ? ? ?class_t *cls = remapClass(cat->cls);

if (!cls) {

// Category's target class is missing (probably weak-linked).

// Disavow any knowledge of this category.

catlist[i] = NULL;

if (PrintConnecting) {

_objc_inform("CLASS: IGNORING category ???(%s) %p with "

"missing weak-linked target class",

cat->name, cat);

}

continue;

}

// Process this category.

// First, register the category with its target class.

// Then, rebuild the class's method lists (etc) if

// the class is realized.

BOOL classExists = NO;

if (cat->instanceMethods || ?cat->protocols

|| ?cat->instanceProperties)

{

addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);

if (isRealized(cls)) {

remethodizeClass(cls);

classExists = YES;

}

if (PrintConnecting) {

_objc_inform("CLASS: found category -%s(%s) %s",

getName(cls), cat->name,

classExists ? "on existing class" : "");

}

}

if (cat->classMethods ?|| ?cat->protocols

/* || ?cat->classProperties */)

{

addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->isa, hi);

if (isRealized(cls->isa)) {

remethodizeClass(cls->isa);

}

if (PrintConnecting) {

_objc_inform("CLASS: found category +%s(%s)",

getName(cls), cat->name);

}

}

}

}

首先，我們拿到的catlist就是上節(jié)中講到的編譯器為我們準(zhǔn)備的category_t數(shù)組寿桨，關(guān)于是如何加載catlist本身的此衅，我們暫且不表，這和category本身的關(guān)系也不大亭螟，有興趣的同學(xué)可以去研究以下Apple的二進(jìn)制格式和load機(jī)制挡鞍。

略去PrintConnecting這個(gè)用于log的東西，這段代碼很容易理解：

1)媒佣、把category的實(shí)例方法匕累、協(xié)議以及屬性添加到類上

2)、把category的類方法和協(xié)議添加到類的metaclass上

值得注意的是默伍，在代碼中有一小段注釋 / || cat->classProperties /欢嘿，看來蘋果有過給類添加屬性的計(jì)劃啊。

ok也糊，我們接著往里看炼蹦，category的各種列表是怎么最終添加到類上的，就拿實(shí)例方法列表來說吧：

在上述的代碼片段里狸剃，addUnattachedCategoryForClass只是把類和category做一個(gè)關(guān)聯(lián)映射掐隐，而remethodizeClass才是真正去處理添加事宜的功臣。

static void remethodizeClass(class_t *cls)

{

? ?category_list *cats;

? ?BOOL isMeta;

rwlock_assert_writing(&runtimeLock);

isMeta = isMetaClass(cls);

// Re-methodizing: check for more categories

if ((cats = unattachedCategoriesForClass(cls))) {

chained_property_list *newproperties;

const protocol_list_t **newprotos;

if (PrintConnecting) {

_objc_inform("CLASS: attaching categories to class '%s' %s",

getName(cls), isMeta ? "(meta)" : "");

}

// Update methods, properties, protocols

BOOL vtableAffected = NO;

attachCategoryMethods(cls, cats, &vtableAffected);

newproperties = buildPropertyList(NULL, cats, isMeta);

if (newproperties) {

newproperties->next = cls->data()->properties;

cls->data()->properties = newproperties;

}

newprotos = buildProtocolList(cats, NULL, cls->data()->protocols);

if (cls->data()->protocols ?& ?cls->data()->protocols != newprotos) {

_free_internal(cls->data()->protocols);

}

cls->data()->protocols = newprotos;

_free_internal(cats);

// Update method caches and vtables

flushCaches(cls);

if (vtableAffected) flushVtables(cls);

}

}

而對于添加類的實(shí)例方法而言，又會(huì)去調(diào)用attachCategoryMethods這個(gè)方法虑省，我們?nèi)タ聪耡ttachCategoryMethods：

static void

attachCategoryMethods(class_t *cls, category_list *cats,

BOOL *inoutVtablesAffected)

{

if (!cats) return;

if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats);

BOOL isMeta = isMetaClass(cls);

method_list_t **mlists = (method_list_t **)

_malloc_internal(cats->count * sizeof(*mlists));

// Count backwards through cats to get newest categories first

int mcount = 0;

int i = cats->count;

BOOL fromBundle = NO;

while (i--) {

method_list_t *mlist = cat_method_list(cats->list[i].cat, isMeta);

if (mlist) {

mlists[mcount++] = mlist;

fromBundle |= cats->list[i].fromBundle;

}

}

attachMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle, inoutVtablesAffected);

_free_internal(mlists);

}

?