探秘Runtime - Runtime介紹

該文章屬于劉小壯原創(chuàng)盟庞，轉載請注明：劉小壯

Runtime是iOS系統(tǒng)中重要的組成部分普筹，面試也是必問的問題冒版，所以Runtime是一個iOS工程師必須掌握的知識點。

現(xiàn)在市面上有很多關于Runtime的學習資料歌殃，也有不少高質(zhì)量的乔妈，但是大多數(shù)質(zhì)量都不是很高，而且都只介紹某個點氓皱，并不全面路召。

這段時間正好公司內(nèi)部組織技術分享，我分享的主題就是Runtime波材，我把分享的資料發(fā)到博客股淡，大家一起學習交流。

文章都是我的一些筆記廷区，和平時的技術積累唯灵。個人水平有限，文章有什么問題還請各位大神指導隙轻，謝謝早敬！??

描述

OC語言是一門動態(tài)語言忌傻，會將程序的一些決定工作從編譯期推遲到運行期。由于OC語言運行時的特性搞监，所以其不只需要依賴編譯器水孩，還需要依賴運行時環(huán)境。

OC語言在編譯期都會被編譯為C語言的Runtime代碼琐驴，二進制執(zhí)行過程中執(zhí)行的都是C語言代碼俘种。而OC的類本質(zhì)上都是結構體，在編譯時都會以結構體的形式被編譯到二進制中绝淡。Runtime是一套由C宙刘、C++、匯編實現(xiàn)的API牢酵，所有的方法調(diào)用都叫做發(fā)送消息悬包。

根據(jù)Apple官方文檔的描述，目前OC運行時分為兩個版本馍乙，Modern和Legacy布近。二者的區(qū)別在于Legacy在實例變量發(fā)生改變后，需要重新編譯其子類丝格。Modern在實例變量發(fā)生改變后撑瞧，不需要重新編譯其子類。

Runtime不只是一些C語言的API显蝌，其由Class预伺、Meta Class、Instance曼尊、Class Instance組成酬诀，是一套完整的面向對象的數(shù)據(jù)結構。所以研究Runtime整體的對象模型骆撇，比研究API是怎么實現(xiàn)的更有意義瞒御。

使用Runtime

Runtime是一個共享動態(tài)庫，其目錄位于/usr/include/objc艾船，由一系列的C函數(shù)和結構體構成葵腹。和Runtime系統(tǒng)發(fā)生交互的方式有三種高每，一般都是用前兩種：

  1. 使用OC源碼
    直接使用上層OC源碼屿岂，底層會通過Runtime為其提供運行支持，上層不需要關心Runtime運行鲸匿。
  2. NSObject
    在OC代碼中絕大多數(shù)的類都是繼承自NSObject的爷怀，NSProxy類例外。Runtime在NSObject中定義了一些基礎操作带欢，NSObject的子類也具備這些特性运授。
  3. Runtime動態(tài)庫
    上層的OC源碼都是通過Runtime實現(xiàn)的烤惊，我們一般不直接使用Runtime，直接和OC代碼打交道就可以吁朦。

使用Runtime需要引入下面兩個頭文件柒室，一些基礎方法都定義在這兩個文件中。

#import <objc/runtime.h>
#import <objc/message.h>

對象模型

下面圖中表示了對象間isa的關系逗宜，以及類的繼承關系雄右。

對象模型

從Runtime源碼可以看出，每個對象都是一個objc_object的結構體纺讲，在結構體中有一個isa指針擂仍，該指針指向自己所屬的類，由Runtime負責創(chuàng)建對象熬甚。

類被定義為objc_class結構體逢渔，objc_class結構體繼承自objc_object，所以類也是對象乡括。在應用程序中肃廓，類對象只會被創(chuàng)建一份。在objc_class結構體中定義了對象的method list粟判、protocol亿昏、ivar list等，表示對象的行為档礁。

既然類是對象角钩，那類對象也是其他類的實例。所以Runtime中設計出了meta class呻澜，通過meta class來創(chuàng)建類對象递礼，所以類對象的isa指向對應的meta class。而meta class也是一個對象羹幸，所有元類的isa都指向其根元類脊髓，根原類的isa指針指向自己。通過這種設計栅受，isa的整體結構形成了一個閉環(huán)将硝。

// 精簡版定義
typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
}

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

在對象的繼承體系中，類和元類都有各自的繼承體系屏镊，但它們都有共同的根父類NSObject依疼，而NSObject的父類指向nil。需要注意的是而芥，上圖中Root Class(Class)是NSObject類對象律罢，而Root Class(Meta)是NSObject的元類對象。

基礎定義

在objc-private.h文件中棍丐，有一些項目中常用的基礎定義误辑，這是最新的objc-723中的定義沧踏，可以來看一下。

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

typedef struct method_t *Method;
typedef struct ivar_t *Ivar;
typedef struct category_t *Category;
typedef struct property_t *objc_property_t;

IMP

在Runtime中IMP本質(zhì)上就是一個函數(shù)指針巾钉，其定義如下翘狱。在IMP中有兩個默認的參數(shù)id和SEL，id也就是方法中的self砰苍，這和objc_msgSend()函數(shù)傳遞的參數(shù)一樣盒蟆。

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

Runtime中提供了很多對于IMP操作的API，下面就是不分IMP相關的函數(shù)定義师骗。我們比較常見的是method_exchangeImplementations函數(shù)历等，Method Swizzling就是通過這個API實現(xiàn)的。

OBJC_EXPORT void
method_exchangeImplementations(Method _Nonnull m1, Method _Nonnull m2) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nonnull
method_setImplementation(Method _Nonnull m, IMP _Nonnull imp) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nonnull
method_getImplementation(Method _Nonnull m) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nullable
class_getMethodImplementation(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull name) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
// ....

獲取IMP

通過定義在NSObject中的下面兩個方法辟癌，可以根據(jù)傳入的SEL獲取到對應的IMP寒屯。methodForSelector:方法不只實例對象可以調(diào)用，類對象也可以調(diào)用黍少。

- (IMP)methodForSelector:(SEL)aSelector;
+ (IMP)instanceMethodForSelector:(SEL)aSelector;

例如下面創(chuàng)建C函數(shù)指針用來接收IMP寡夹，獲取到IMP后可以手動調(diào)用IMP，在定義的C函數(shù)中需要加上兩個隱藏參數(shù)厂置。

void (*function) (id self, SEL _cmd, NSObject object);

function = (id self, SEL _cmd, NSObject object)[self methodForSelector:@selector(object:)];

function(instance, @selector(object:), [NSObject new]);

性能優(yōu)化

通過這些API可以進行一些優(yōu)化操作菩掏。如果遇到大量的方法執(zhí)行，可以通過Runtime獲取到IMP昵济，直接調(diào)用IMP實現(xiàn)優(yōu)化智绸。

TestObject *object = [[TestObject alloc] init];
void(*function)(id, SEL) = (void(*)(id, SEL))class_getMethodImplementation([TestObject class], @selector(testMethod));
function(object, @selector(testMethod));

在獲取和調(diào)用IMP的時候需要注意，每個方法默認都有兩個隱藏參數(shù)访忿，所以在函數(shù)聲明的時候需要加上這兩個隱藏參數(shù)瞧栗，調(diào)用的時候也需要把相應的對象和SEL傳進去，否則可能會導致Crash海铆。

IMP for block

Runtime還支持block方式的回調(diào)迹恐，我們可以通過Runtime的API，將原來的方法回調(diào)改為block的回調(diào)卧斟。

// 類定義
@interface TestObject : NSObject
- (void)testMethod:(NSString *)text;
@end

// 類實現(xiàn)
@implementation TestObject
- (void)testMethod:(NSString *)text {
    NSLog(@"testMethod : %@", text);
}
@end

// runtime
IMP function = imp_implementationWithBlock(^(id self, NSString *text) {
    NSLog(@"callback block : %@", text);
});
const char *types = sel_getName(@selector(testMethod:));
class_replaceMethod([TestObject class], @selector(testMethod:), function, types);
    
TestObject *object = [[TestObject alloc] init];
[object testMethod:@"lxz"];

// 輸出
callback block : lxz

Method

Method用來表示方法殴边，其包含SEL和IMP，下面可以看一下Method結構體的定義珍语。

typedef struct method_t *Method;

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
};

在運行過程中是這樣锤岸。

Method

在Xcode進行編譯的時候，只會將Xcode的Compile Sources中.m聲明的方法編譯到Method List廊酣，而.h文件中聲明的方法對Method List沒有影響能耻。

Property

在Runtime中定義了屬性的結構體赏枚，用來表示對象中定義的屬性亡驰。@property修飾符用來修飾屬性晓猛，修飾后的屬性為objc_property_t類型，其本質(zhì)是property_t結構體凡辱。其結構體定義如下戒职。

typedef struct property_t *objc_property_t;

struct property_t {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

可以通過下面兩個函數(shù)，分別獲取實例對象的屬性列表透乾，和協(xié)議的屬性列表洪燥。

objc_property_t * class_copyPropertyList（Class cls，unsigned int * outCount）
objc_property_t * protocol_copyPropertyList（Protocol * proto乳乌，unsigned int * outCount）

可以通過下面兩個方法捧韵，傳入指定的Class和propertyName，獲取對應的objc_property_t屬性結構體汉操。

objc_property_t class_getProperty（Class cls再来，const char * name）
objc_property_t protocol_getProperty（Protocol * proto，const char * name磷瘤，BOOL isRequiredProperty芒篷，BOOL isInstanceProperty）

分析實例變量

對象間關系

在OC中絕大多數(shù)類都是繼承自NSObject的(NSProxy例外)，類與類之間都會存在繼承關系采缚。通過子類創(chuàng)建對象時针炉，繼承鏈中所有成員變量都會存在對象中。

例如下圖中扳抽，父類是UIViewController篡帕，具有一個view屬性。子類UserCenterViewController繼承自UIViewController贸呢，并定義了兩個新屬性赂苗。這時如果通過子類創(chuàng)建對象，就會同時包含著三個實例變量贮尉。

對象間關系

但是類的結構在編譯時都是固定的拌滋，如果想要修改類的結構需要重新編譯。如果上線后用戶安裝到設備上猜谚，新版本的iOS系統(tǒng)中更新了父類的結構败砂，也就是UIViewController的結構，為其加入了新的實例變量魏铅，這時用戶更新新的iOS系統(tǒng)后就會導致問題昌犹。

對象間關系

原來UIViewController的結構中增加了childViewControllers屬性，這時候和子類的內(nèi)存偏移就發(fā)生沖突了览芳。只不過斜姥，Runtime有檢測內(nèi)存沖突的機制，在類生成實例變量時，會判斷實例變量是否有地址沖突铸敏，如果發(fā)生沖突則調(diào)整對象的地址偏移缚忧，這樣就在運行時解決了地址沖突的問題。

內(nèi)存布局

類的本質(zhì)是結構體杈笔，在結構體中包含一些成員變量闪水，例如method list、ivar list等蒙具，這些都是結構體的一部分球榆。method、protocol禁筏、property的實現(xiàn)這些都可以放到類中持钉，所有對象調(diào)用同一份即可，但對象的成員變量不可以放在一起篱昔，因為每個對象的成員變量值都是不同的右钾。

創(chuàng)建實例對象時，會根據(jù)其對應的Class分配內(nèi)存旱爆，內(nèi)存構成是ivars+isa_t舀射。并且實例變量不只包含當前Class的ivars，也會包含其繼承鏈中的ivars怀伦。ivars的內(nèi)存布局在編譯時就已經(jīng)決定脆烟，運行時需要根據(jù)ivars內(nèi)存布局創(chuàng)建對象，所以Runtime不能動態(tài)修改ivars房待，會破壞已有內(nèi)存布局邢羔。

內(nèi)存布局

(上圖中，x表示地址對其后的空位)

以上圖為例桑孩，創(chuàng)建的對象中包含所屬類及其繼承者鏈中拜鹤，所有的成員變量。因為對象是結構體流椒，所以需要進行地址對其敏簿，一般OC對象的大小都是8的倍數(shù)。

也不是所有對象都不能動態(tài)修改ivars宣虾，如果是通過runtime動態(tài)創(chuàng)建的類惯裕，是可以修改ivars的。這個在后面會有講到绣硝。

ivar讀寫

實例變量的isa_t指針會指向其所屬的類蜻势，對象中并不會包含method、protocol鹉胖、property握玛、ivar等信息够傍，這些信息在編譯時都保存在只讀結構體class_ro_t中。在class_ro_t中ivars是const只讀的挠铲，在image load時copy到class_rw_t中時冕屯，是不會copy ivars的，并且class_rw_t中并沒有定義ivars的字段市殷。

在訪問某個成員變量時，直接通過isa_t找到對應的objc_class刹衫，并通過其class_ro_t的ivar list做地址偏移醋寝，查找對應的對象內(nèi)存。正是由于這種方式带迟，所以對象的內(nèi)存地址是固定不可改變的音羞。

方法傳參

當調(diào)用實例變量的方法時，會通過objc_msgSend()發(fā)起調(diào)用仓犬，調(diào)用時會傳入self和SEL嗅绰。函數(shù)內(nèi)部通過isa在類的內(nèi)部查找方法列表對應的IMP，傳入對應的參數(shù)并發(fā)起調(diào)用搀继。如果調(diào)用的方法時涉及到當前對象的成員變量的訪問窘面，這時候就是在objc_msgSend()內(nèi)部，通過類的ivar list判斷地址偏移叽躯，取出ivar并傳入調(diào)用的IMP中的财边。

調(diào)用super的方式時則調(diào)用objc_msgSendSuper()函數(shù)實現(xiàn)，調(diào)用時將實例變量的父類傳進去点骑。但是需要注意的是酣难，調(diào)用objc_msgSendSuper函數(shù)時傳入的對象，也是當前實例變量黑滴，所以是在向自己發(fā)送父類的消息憨募。具體可以看一下[self class]和[super class]的結果，結果應該都是一樣的袁辈。

在項目中經(jīng)常會通過[super xxx]的方式調(diào)用父類方法菜谣，這是因為需要先完成父類的操作，當然也可以不調(diào)用晚缩，視情況而定葛菇。以經(jīng)常見到的自定義init方法中，經(jīng)常會出現(xiàn)if (self = [super init])的調(diào)用橡羞，這是在完成自己的初始化之前先對父類進行初始化眯停，否則只初始化自身可能會存在問題。在調(diào)用[super init]時如果返回nil卿泽，則表示父類初始化失敗莺债，這時候初始化子類肯定會出現(xiàn)問題滋觉，所以需要做判斷。

參考資料

Apple Runtime Program Guild
維基百科-Objective-C
維基百科-Clang
維基百科-GCC(GNU)

蘋果開源代碼不建議去Github齐邦，上面的版本一般更新不及時椎侠，建議去蘋果的開源官網(wǎng)。
Apple Opensource

簡書由于排版的問題措拇，閱讀體驗并不好我纪，布局、圖片顯示丐吓、代碼等很多問題浅悉。所以建議到我Github上，下載Runtime PDF合集券犁。把所有Runtime文章總計九篇术健，都寫在這個PDF中，而且左側有目錄粘衬，方便閱讀荞估。

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