注：本文不是原創(chuàng)驮俗，只是在學(xué)習(xí)中做的整理和筆記灸促，以便自己以后更好的復(fù)習(xí)。原文來(lái)自runtime從入門(mén)到精通系列以及深入理解Objective-C的Runtime機(jī)制升薯。
要想全面了解 Runtime 機(jī)制莱褒，我們還要了解 Runtime 的一些術(shù)語(yǔ)，他們都對(duì)應(yīng)著數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)涎劈。
Runtime數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
在Objective-C中广凸，使用[receiver message]語(yǔ)法并不會(huì)馬上執(zhí)行receiver對(duì)象的message方法的代碼，而是向receiver發(fā)送一條message消息蛛枚，這條消息可能由receiver來(lái)處理谅海，也可能由轉(zhuǎn)發(fā)給其他對(duì)象來(lái)處理，也有可能假裝沒(méi)有接收到這條消息而沒(méi)有處理蹦浦。其實(shí)[receiver message]被編譯器轉(zhuǎn)化為：
id objc_msgSend ( id self, SEL op, ... );
下面從兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)id和SEL來(lái)逐步分析和理解Runtime有哪些重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)扭吁。
SEL
SEL是函數(shù)objc_msgSend第二個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)類型，表示方法選擇器盲镶，按下面路徑打開(kāi)objc.h文件：
查看到SEL數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
typedef struct objc_selector *SEL;
SEL是selector在 Objc 中的表示(Swift 中是 Selector 類)侥袜。selector 是方法選擇器，其實(shí)作用就和名字一樣溉贿，日常生活中枫吧，我們通過(guò)人名辨別誰(shuí)是誰(shuí)，注意 Objc 在相同的類中不會(huì)有命名相同的兩個(gè)方法宇色。selector 對(duì)方法名進(jìn)行包裝九杂，以便找到對(duì)應(yīng)的方法實(shí)現(xiàn).
我們可以看出它就是映射到方法的C字符串，你可以通過(guò)Objc編譯器命令@selector()或者Runtime系統(tǒng)的sel_registerName函數(shù)來(lái)獲取一個(gè)SEL類型的方法選擇器宣蠕。
如果你知道selector對(duì)應(yīng)的方法名是什么例隆，可以通過(guò)NSString* NSStringFromSelector(SEL aSelector)方法將SEL轉(zhuǎn)化為字符串，再用NSLog打印抢蚀。
注意： 不同類中相同名字的方法所對(duì)應(yīng)的 selector 是相同的镀层，由于變量的類型不同，所以不會(huì)導(dǎo)致它們調(diào)用方法實(shí)現(xiàn)混亂思币。
id
objc_msgSend第一個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)類型id鹿响，id是通用類型指針，能夠表示任何對(duì)象谷饿。打開(kāi)路徑同上惶我。
查看到id數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
id其實(shí)就是一個(gè)指向objc_object結(jié)構(gòu)體指針，它包含一個(gè)Class isa成員博投，根據(jù)isa指針就可以可以找到對(duì)象所屬的類绸贡。
注意：根據(jù)Apple的官方文檔Key-Value Observing Implementation Details提及，key-value observing是使用isa-swizzling的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，isa指針在運(yùn)行時(shí)被修改听怕，指向一個(gè)中間類而不是真正的類捧挺。所以，你不應(yīng)該使用isa指針來(lái)確定類的關(guān)系尿瞭，而是使用class方法來(lái)確定實(shí)例對(duì)象的類闽烙。
Class
isa指針的數(shù)據(jù)類型是Class，Class表示對(duì)象所屬的類声搁，按下面路徑可查看定義及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;
可以查看到Class其實(shí)就是一個(gè)objc_class結(jié)構(gòu)體指針黑竞，objc_class結(jié)構(gòu)體的定義如下：
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;
從 objc_class 可以看到，一個(gè)運(yùn)行時(shí)類中關(guān)聯(lián)了它的父類指針疏旨、類名很魂、成員變量、方法檐涝、緩存以及附屬的協(xié)議遏匆。
讓我們分析一些重要的成員變量表示什么意思和對(duì)應(yīng)使用哪些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
-
isa: objc_class 中也有一個(gè) isa 指針谁榜，這說(shuō)明 Objc 類本身也是一個(gè)對(duì)象幅聘。為了處理類和對(duì)象的關(guān)系，Runtime 庫(kù)創(chuàng)建了一種叫做 Meta Class(元類) 的東西窃植，類對(duì)象所屬的類就叫做元類喊暖。Meta Class 表述了類對(duì)象本身所具備的元數(shù)據(jù)。
我們所熟悉的類方法撕瞧，就源自于 Meta Class。我們可以理解為類方法就是類對(duì)象的實(shí)例方法狞尔。每個(gè)類僅有一個(gè)類對(duì)象丛版，而每個(gè)類對(duì)象僅有一個(gè)與之相關(guān)的元類。
其實(shí)Meta Class也是一個(gè)Class偏序，那么它也跟其他Class一樣有自己的isa和super_class指針页畦，實(shí)例對(duì)象中的isa指向?qū)?yīng)的Class類，Class類中的isa指向metaClass關(guān)系如下：
上圖實(shí)線是super_class指針研儒，虛線是isa指針豫缨。有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要解釋以下：
- Root class (class)其實(shí)就是NSObject，NSObject是沒(méi)有超類的端朵，所以Root class(class)的superclass指向nil好芭。
- 每個(gè)Class都有一個(gè)isa指針指向唯一的Meta class
- Root class(meta)的superclass指向Root class(class)，也就是NSObject冲呢，形成一個(gè)回路舍败。
- 每個(gè)Meta class的isa指針都指向Root class (meta)。
super_class: 指向當(dāng)前類對(duì)應(yīng)的父類，如果已經(jīng)是最頂層的類（NSObject 邻薯、NSProxy）super_class為NULL裙戏；
name: 表示類名；
ivars: 表示多個(gè)成員變量列表厕诡，它指向objc_ivar_list結(jié)構(gòu)體累榜。在runtime.h可以看到它的定義：
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;
}
objc_ivar_list其實(shí)就是一個(gè)鏈表，存儲(chǔ)多個(gè)objc_ivar灵嫌，而objc_ivar結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)類的單個(gè)成員變量信息壹罚。
- methodLists: 表示方法列表，它指向objc_method_list結(jié)構(gòu)體的二級(jí)指針醒第，可以動(dòng)態(tài)修改*methodLists的值來(lái)添加成員方法渔嚷，也是Category實(shí)現(xiàn)原理，同樣也解釋Category不能添加屬性的原因稠曼。在runtime.h可以看到它的定義：
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;
}
同理形病，objc_method_list也是一個(gè)鏈表，存儲(chǔ)多個(gè)objc_method霞幅，而objc_method結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)類的某個(gè)方法的信息漠吻。
- cache: 用來(lái)緩存經(jīng)常訪問(wèn)的方法，它指向objc_cache結(jié)構(gòu)體司恳，后面會(huì)重點(diǎn)講到途乃。
- protocols: 表示類遵循哪些協(xié)議。
Method
Method表示類中的某個(gè)方法扔傅，在runtime.h中的定義：
/// An opaque type that represents a method in a class definition.
typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE;
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;
}
其實(shí)Method就是一個(gè)指向objc_method結(jié)構(gòu)體指針耍共，它存儲(chǔ)了方法名(method_name)、方法類型(method_types)和方法實(shí)現(xiàn)(method_imp)等信息：
- 方法名類型為 SEL
- 方法類型 method_types 是個(gè) char 指針猎塞，存儲(chǔ)方法的參數(shù)類型和返回值類型
- method_imp 指向了方法的實(shí)現(xiàn)试读，類型是IMP，本質(zhì)是一個(gè)函數(shù)指針荠耽，后面會(huì)重點(diǎn)提及钩骇。
Ivar
Ivar表示類中的實(shí)例變量，在runtime.h中的定義：
/// An opaque type that represents an instance variable.
typedef struct objc_ivar *Ivar;
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
}
Ivar其實(shí)就是一個(gè)指向objc_ivar結(jié)構(gòu)體指針铝量，它包含了變量名(ivar_name)倘屹、變量類型(ivar_type)等信息，其中 ivar_offset 是基地址偏移字節(jié)慢叨。
IMP
在上面講Method時(shí)就說(shuō)過(guò)纽匙，IMP本質(zhì)上就是一個(gè)函數(shù)指針，指向方法的實(shí)現(xiàn)插爹，在objc.h找到它的定義：
/// A pointer to the function of a method implementation.
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ );
#else
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);
#endif
它就是一個(gè)函數(shù)指針哄辣，當(dāng)你向某個(gè)對(duì)象發(fā)送一條信息请梢，可以由這個(gè)函數(shù)指針來(lái)指定方法的實(shí)現(xiàn)，它最終就會(huì)執(zhí)行那段代碼力穗，這樣可以繞開(kāi)消息傳遞階段而去執(zhí)行另一個(gè)方法實(shí)現(xiàn)毅弧。
你會(huì)發(fā)現(xiàn) IMP指向的方法與 objc_msgSend 函數(shù)類型相同，參數(shù)都包含 id和SEL 類型当窗。每個(gè)方法名都對(duì)應(yīng)一個(gè) SEL 類型的方法選擇器够坐，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，通過(guò)一組 id和 SEL 參數(shù)就能確定唯一的方法實(shí)現(xiàn)地址崖面。而一個(gè)確定的方法也只有唯一的一組 id 和 SEL 參數(shù)。
Cache
Cache主要用來(lái)緩存巫员，在runtime.h文件的定義：
typedef struct objc_cache *Cache OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_cache {
unsigned int mask /* total = mask + 1 */ OBJC2_UNAVAILABLE;
unsigned int occupied OBJC2_UNAVAILABLE;
Method buckets[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
};
Cache其實(shí)就是一個(gè)存儲(chǔ)Method的鏈表，主要是為了優(yōu)化方法調(diào)用的性能赶掖。當(dāng)對(duì)象receiver調(diào)用方法message時(shí)，首先根據(jù)對(duì)象receiver的isa指針查找到它對(duì)應(yīng)的類，然后在類的methodLists中搜索方法，如果沒(méi)有找到，就使用super_class指針到父類中的methodLists查找膳灶，一旦找到就調(diào)用方法立由。如果沒(méi)有找到轧钓，有可能消息轉(zhuǎn)發(fā)，也可能忽略它锐膜。但這樣查找方式效率太低聋迎，因?yàn)橥粋€(gè)類大概只有20%的方法經(jīng)常被調(diào)用枣耀，占總調(diào)用次數(shù)的80%庭再。所以使用Cache來(lái)緩存經(jīng)常調(diào)用的方法，當(dāng)調(diào)用方法時(shí)颅围，優(yōu)先在Cache查找恨搓，如果沒(méi)有找到院促，再到methodLists查找。Runtime 系統(tǒng)會(huì)把被調(diào)用的方法存到 Cache 中渐溶，如果一個(gè)方法被調(diào)用弄抬，那么它有可能今后還會(huì)被調(diào)用，下次查找的時(shí)候就會(huì)效率更高掂恕。
