此系列博客轉(zhuǎn)自 南峰子的技術(shù)博客

Objective-C語言是一門動(dòng)態(tài)語言，它將很多靜態(tài)語言在編譯和鏈接時(shí)期做的事放到了運(yùn)行時(shí)來處理树碱。這種動(dòng)態(tài)語言的優(yōu)勢(shì)在于：我們寫代碼時(shí)更具靈活性，如我們可以把消息轉(zhuǎn)發(fā)給我們想要的對(duì)象赎婚，或者隨意交換一個(gè)方法的實(shí)現(xiàn)等挣输。

這種特性意味著Objective-C不僅需要一個(gè)編譯器撩嚼，還需要一個(gè)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)來執(zhí)行編譯的代碼。對(duì)于Objective-C來說舰涌，這個(gè)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)就像一個(gè)操作系統(tǒng)一樣：它讓所有的工作可以正常的運(yùn)行瓷耙。這個(gè)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)即Objc Runtime搁痛。Objc Runtime其實(shí)是一個(gè)Runtime庫，它基本上是用C和匯編寫的枪芒，這個(gè)庫使得C語言有了面向?qū)ο蟮哪芰Α?/p>

Runtime庫主要做下面幾件事：

1. 封裝：在這個(gè)庫中纽甘，對(duì)象可以用C語言中的結(jié)構(gòu)體表示悍赢，而方法可以用C函數(shù)來實(shí)現(xiàn)皮胡，另外再加上了一些額外的特性胸囱。這些結(jié)構(gòu)體和函數(shù)被runtime函數(shù)封裝后，我們就可以在程序運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建，檢查亿鲜，修改類蒿柳、對(duì)象和它們的方法了。
2. 找出方法的最終執(zhí)行代碼：當(dāng)程序執(zhí)行[object doSomething]時(shí)圾叼，會(huì)向消息接收者(object)發(fā)送一條消息(doSomething)夷蚊，runtime會(huì)根據(jù)消息接收者是否能響應(yīng)該消息而做出不同的反應(yīng)。這將在后面詳細(xì)介紹箱歧。

Objective-C runtime目前有兩個(gè)版本：Modern runtime和Legacy runtime叫胁。Modern Runtime覆蓋了64位的Mac OS X Apps微谓，還有iOS Apps，Legacy Runtime是早期用來給32位 Mac OS X Apps 用的姻氨，也就是可以不用管就是了肴焊。

在這一系列文章中，我們將介紹runtime的基本工作原理届宠，以及如何利用它讓我們的程序變得更加靈活。在本文中轧铁，我們先來介紹一下類與對(duì)象属桦，這是面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)，我們看看在Runtime中系谐，類是如何實(shí)現(xiàn)的。

類與對(duì)象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Class

Objective-C類是由Class類型來表示的，它實(shí)際上是一個(gè)指向objc_class結(jié)構(gòu)體的指針纪他。它的定義如下：

typedef struct objc_class *Class;

查看objc/runtime.h中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;      // 父類
    const char *name                        OBJC2_UNAVAILABLE;      // 類名
    long version                            OBJC2_UNAVAILABLE;      // 類的版本信息，默認(rèn)為0
    long info                               OBJC2_UNAVAILABLE;      // 類信息茶袒，供運(yùn)行期使用的一些位標(biāo)識(shí)
    long instance_size                      OBJC2_UNAVAILABLE;      // 該類的實(shí)例變量大小
    struct objc_ivar_list *ivars            OBJC2_UNAVAILABLE;      // 該類的成員變量鏈表
    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;

在這個(gè)定義中薪寓，下面幾個(gè)字段是我們感興趣的

1. isa：需要注意的是在Objective-C中，所有的類自身也是一個(gè)對(duì)象锥腻，這個(gè)對(duì)象的Class里面也有一個(gè)isa指針幸斥，它指向metaClass(元類)，我們會(huì)在后面介紹它葛虐。
2. super_class：指向該類的父類万栅，如果該類已經(jīng)是最頂層的根類(如NSObject或NSProxy)兽掰，則super_class為NULL泻云。
3. cache：用于緩存最近使用的方法婆瓜。一個(gè)接收者對(duì)象接收到一個(gè)消息時(shí)猴蹂，它會(huì)根據(jù)isa指針去查找能夠響應(yīng)這個(gè)消息的對(duì)象逐虚。在實(shí)際使用中买雾，這個(gè)對(duì)象只有一部分方法是常用的，很多方法其實(shí)很少用或者根本用不上。這種情況下，如果每次消息來時(shí)，我們都是methodLists中遍歷一遍，性能勢(shì)必很差。這時(shí)，cache就派上用場(chǎng)了拧烦。在我們每次調(diào)用過一個(gè)方法后重虑，這個(gè)方法就會(huì)被緩存到cache列表中隧土，下次調(diào)用的時(shí)候runtime就會(huì)優(yōu)先去cache中查找，如果cache沒有，才去methodLists中查找方法。這樣，對(duì)于那些經(jīng)常用到的方法的調(diào)用号杠，但提高了調(diào)用的效率神得。
4. version：我們可以使用這個(gè)字段來提供類的版本信息节榜。這對(duì)于對(duì)象的序列化非常有用，它可是讓我們識(shí)別出不同類定義版本中實(shí)例變量布局的改變硬猫。

針對(duì)cache，我們用下面例子來說明其執(zhí)行過程：

NSArray *array = [[NSArray alloc] init];
``` 
其流程是：
1. `[NSArray alloc]`先被執(zhí)行后豫。因?yàn)镹SArray沒有`+alloc`方法葱弟，于是去父類NSObject去查找。
2. 檢測(cè)NSObject是否響應(yīng)`+alloc`方法误褪，發(fā)現(xiàn)響應(yīng)，于是檢測(cè)NSArray類奶段，并根據(jù)其所需的內(nèi)存空間大小開始分配內(nèi)存空間线定，然后把`isa`指針指向NSArray類胡嘿。同時(shí)兵钮，`+alloc`也被加進(jìn)cache列表里面。
3. 接著耕突，執(zhí)行`-init`方法，如果NSArray響應(yīng)該方法，則直接將其加入`cache`简珠；如果不響應(yīng)拐迁，則去父類查找。
4. 在后期的操作中氛改，如果再以`[[NSArray alloc] init]`這種方式來創(chuàng)建數(shù)組芒率，則會(huì)直接從cache中取出相應(yīng)的方法，直接調(diào)用。
### objc_object與id
`objc_object`是表示一個(gè)類的實(shí)例的結(jié)構(gòu)體尺棋，它的定義如下(`objc/objc.h`)：
```objc
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
typedef struct objc_object *id;

可以看到潭苞，這個(gè)結(jié)構(gòu)體只有一個(gè)字體辫呻，即指向其類的isa指針急凰。這樣四瘫，當(dāng)我們向一個(gè)Objective-C對(duì)象發(fā)送消息時(shí)裕菠，運(yùn)行時(shí)庫會(huì)根據(jù)實(shí)例對(duì)象的isa指針找到這個(gè)實(shí)例對(duì)象所屬的類蜡塌。Runtime庫會(huì)在類的方法列表及父類的方法列表中去尋找與消息對(duì)應(yīng)的selector指向的方法熙宇。找到后即運(yùn)行這個(gè)方法容为。

當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)特定類的實(shí)例對(duì)象時(shí)，分配的內(nèi)存包含一個(gè)objc_object數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)悍募，然后是類的實(shí)例變量的數(shù)據(jù)背桐。NSObject類的alloc和allocWithZone:方法使用函數(shù)class_createInstance來創(chuàng)建objc_object數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)禾嫉。

另外還有我們常見的id，它是一個(gè)objc_object結(jié)構(gòu)類型的指針保礼。它的存在可以讓我們實(shí)現(xiàn)類似于C++中泛型的一些操作。該類型的對(duì)象可以轉(zhuǎn)換為任何一種對(duì)象淆院，有點(diǎn)類似于C語言中void *指針類型的作用蒸殿。

objc_cache

上面提到了objc_class結(jié)構(gòu)體中的cache字段，它用于緩存調(diào)用過的方法。這個(gè)字段是一個(gè)指向objc_cache結(jié)構(gòu)體的指針遍膜，其定義如下：

struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    unsigned int occupied                                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    Method buckets[1]                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
};

該結(jié)構(gòu)體的字段描述如下：

1. mask：一個(gè)整數(shù)窒朋，指定分配的緩存bucket的總數(shù)韩容。在方法查找過程中，Objective-C runtime使用這個(gè)字段來確定開始線性查找數(shù)組的索引位置。指向方法selector的指針與該字段做一個(gè)AND位操作(index = (mask & selector))疫鹊。這可以作為一個(gè)簡(jiǎn)單的hash散列算法。
2. occupied：一個(gè)整數(shù)一疯，指定實(shí)際占用的緩存bucket的總數(shù)惦积。
3. buckets：指向Method數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針的數(shù)組。這個(gè)數(shù)組可能包含不超過mask+1個(gè)元素。需要注意的是侣诵，指針可能是NULL，表示這個(gè)緩存bucket沒有被占用蘸炸，另外被占用的bucket可能是不連續(xù)的穷当。這個(gè)數(shù)組可能會(huì)隨著時(shí)間而增長(zhǎng)馁菜。
   元類(Meta Class)

在上面我們提到德撬，所有的類自身也是一個(gè)對(duì)象，我們可以向這個(gè)對(duì)象發(fā)送消息(即調(diào)用類方法)。如：

NSArray *array = [NSArray array];

這個(gè)例子中摇天，+array消息發(fā)送給了NSArray類泉坐，而這個(gè)NSArray也是一個(gè)對(duì)象。既然是對(duì)象纯丸，那么它也是一個(gè)objc_object指針，它包含一個(gè)指向其類的一個(gè)isa指針坠陈。那么這些就有一個(gè)問題了，這個(gè)isa指針指向什么呢若未？為了調(diào)用+array方法，這個(gè)類的isa指針必須指向一個(gè)包含這些類方法的一個(gè)objc_class結(jié)構(gòu)體隙疚。這就引出了meta-class的概念

meta-class是一個(gè)類對(duì)象的類供屉。

當(dāng)我們向一個(gè)對(duì)象發(fā)送消息時(shí)，runtime會(huì)在這個(gè)對(duì)象所屬的這個(gè)類的方法列表中查找方法肛走；而向一個(gè)類發(fā)送消息時(shí)，會(huì)在這個(gè)類的meta-class的方法列表中查找葫男。

meta-class之所以重要腾誉，是因?yàn)樗鎯?chǔ)著一個(gè)類的所有類方法。每個(gè)類都會(huì)有一個(gè)單獨(dú)的meta-class猪贪，因?yàn)槊總€(gè)類的類方法基本不可能完全相同热押。

再深入一下，meta-class也是一個(gè)類，也可以向它發(fā)送一個(gè)消息莫秆，那么它的isa又是指向什么呢？為了不讓這種結(jié)構(gòu)無限延伸下去连锯，Objective-C的設(shè)計(jì)者讓所有的meta-class的isa指向基類的meta-class霜医，以此作為它們的所屬類署海。即捻勉，任何NSObject繼承體系下的meta-class都使用NSObject的meta-class作為自己的所屬類，而基類的meta-class的isa指針是指向它自己埠偿。這樣就形成了一個(gè)完美的閉環(huán)。

通過上面的描述，再加上對(duì)objc_class結(jié)構(gòu)體中super_class指針的分析斩郎，我們就可以描繪出類及相應(yīng)meta-class類的一個(gè)繼承體系了，如下圖所示：

Runtime解釋圖

對(duì)于NSObject繼承體系來說喻频，其實(shí)例方法對(duì)體系中的所有實(shí)例缩宜、類和meta-class都是有效的；而類方法對(duì)于體系內(nèi)的所有類和meta-class都是有效的半抱。

講了這么多脓恕，我們還是來寫個(gè)例子吧：

void TestMetaClass(id self, SEL _cmd) {
    NSLog(@"This objcet is %p", self);
    NSLog(@"Class is %@, super class is %@", [self class], [self superclass]);
    Class currentClass = [self class];
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        NSLog(@"Following the isa pointer %d times gives %p", i, currentClass);
        currentClass = objc_getClass((__bridge void *)currentClass);
    }
    NSLog(@"NSObject's class is %p", [NSObject class]);
    NSLog(@"NSObject's meta class is %p", objc_getClass((__bridge void *)[NSObject class]));
}
#pragma mark -
@implementation Test
- (void)ex_registerClassPair {
    Class newClass = objc_allocateClassPair([NSError class], "TestClass", 0);
    class_addMethod(newClass, @selector(testMetaClass), (IMP)TestMetaClass, "v@:");
    objc_registerClassPair(newClass);
    id instance = [[newClass alloc] initWithDomain:@"some domain" code:0 userInfo:nil];
    [instance performSelector:@selector(testMetaClass)];
}
@end

這個(gè)例子是在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建了一個(gè)NSError的子類TestClass，然后為這個(gè)子類添加一個(gè)方法testMetaClass，這個(gè)方法的實(shí)現(xiàn)是TestMetaClass函數(shù)肛著。

運(yùn)行后局荚，打印結(jié)果是

2014-10-20 22:57:07.352 mountain[1303:41490] This objcet is 0x7a6e22b0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Class is TestStringClass, super class is NSError
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Following the isa pointer 0 times gives 0x7a6e21b0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Following the isa pointer 1 times gives 0x0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Following the isa pointer 2 times gives 0x0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Following the isa pointer 3 times gives 0x0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] NSObject's class is 0xe10000
2014-10-20 22:57:07.354 mountain[1303:41490] NSObject's meta class is 0x0

我們?cè)趂or循環(huán)中仙逻，我們通過objc_getClass來獲取對(duì)象的isa，并將其打印出來限书，依此一直回溯到NSObject的meta-class粉铐。分析打印結(jié)果织鲸，可以看到最后指針指向的地址是0x0赫模，即NSObject的meta-class的類地址肢娘。

這里需要注意的是：我們?cè)谝粋€(gè)類對(duì)象調(diào)用class方法是無法獲取meta-class，它只是返回類而已蟋定。

類與對(duì)象操作函數(shù)

runtime提供了大量的函數(shù)來操作類與對(duì)象肆资。類的操作方法大部分是以class_為前綴的，而對(duì)象的操作方法大部分是以objc_或object_為前綴春塌。下面我們將根據(jù)這些方法的用途來分類討論這些方法的使用。

類相關(guān)操作函數(shù)

我們可以回過頭去看看objc_class的定義谁鳍，runtime提供的操作類的方法主要就是針對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)體中的各個(gè)字段的蕊退。下面我們分別介紹這一些的函數(shù)点把。并在最后以實(shí)例來演示這些函數(shù)的具體用法朵你。

類名(name)

類名操作的函數(shù)主要有：

// 獲取類的類名
const char * class_getName ( Class cls );

• 對(duì)于class_getName函數(shù)箱靴，如果傳入的cls為Nil，則返回一個(gè)字字符串。

父類(super_class)和元類(meta-class)

父類和元類操作的函數(shù)主要有：

// 獲取類的父類
Class class_getSuperclass ( Class cls );
// 判斷給定的Class是否是一個(gè)元類
BOOL class_isMetaClass ( Class cls );

• class_getSuperclass函數(shù)琅束，當(dāng)cls為Nil或者cls為根類時(shí)浴井，返回Nil。不過通常我們可以使用NSObject類的superclass方法來達(dá)到同樣的目的肖揣。

• class_isMetaClass函數(shù)供炼，如果是cls是元類，則返回YES睛琳；如果否或者傳入的cls為Nil，則返回NO。

實(shí)例變量大小(instance_size)

實(shí)例變量大小操作的函數(shù)有：

// 獲取實(shí)例大小
size_t class_getInstanceSize ( Class cls );

成員變量(ivars)及屬性

在objc_class中，所有的成員變量檐嚣、屬性的信息是放在鏈表ivars中的。ivars是一個(gè)數(shù)組隐解，數(shù)組中每個(gè)元素是指向Ivar(變量信息)的指針鞍帝。runtime提供了豐富的函數(shù)來操作這一字段。大體上可以分為以下幾類：

1.成員變量操作函數(shù)煞茫，主要包含以下函數(shù)：

// 獲取類中指定名稱實(shí)例成員變量的信息    
Ivar class_getInstanceVariable ( Class cls, const char *name );
// 獲取類成員變量的信息
Ivar class_getClassVariable ( Class cls, const char *name );
// 添加成員變量
BOOL class_addIvar ( Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types );
// 獲取整個(gè)成員變量列表
Ivar * class_copyIvarList ( Class cls, unsigned int *outCount );

• class_getInstanceVariable函數(shù)帕涌，它返回一個(gè)指向包含name指定的成員變量信息的objc_ivar結(jié)構(gòu)體的指針(Ivar)。

• class_getClassVariable函數(shù)续徽，目前沒有找到關(guān)于Objective-C中類變量的信息蚓曼，一般認(rèn)為Objective-C不支持類變量。注意钦扭，返回的列表不包含父類的成員變量和屬性纫版。

• Objective-C不支持往已存在的類中添加實(shí)例變量，因此不管是系統(tǒng)庫提供的提供的類客情，還是我們自定義的類其弊，都無法動(dòng)態(tài)添加成員變量。但如果我們通過運(yùn)行時(shí)來創(chuàng)建一個(gè)類的話膀斋，又應(yīng)該如何給它添加成員變量呢梭伐？這時(shí)我們就可以使用class_addIvar函數(shù)了。不過需要注意的是仰担，這個(gè)方法只能在objc_allocateClassPair函數(shù)與objc_registerClassPair之間調(diào)用糊识。另外，這個(gè)類也不能是元類。成員變量的按字節(jié)最小對(duì)齊量是1<<alignment赂苗。這取決于ivar的類型和機(jī)器的架構(gòu)铃将。如果變量的類型是指針類型，則傳遞log2(sizeof(pointer_type))哑梳。

• class_copyIvarList函數(shù)劲阎，它返回一個(gè)指向成員變量信息的數(shù)組，數(shù)組中每個(gè)元素是指向該成員變量信息的objc_ivar結(jié)構(gòu)體的指針鸠真。這個(gè)數(shù)組不包含在父類中聲明的變量悯仙。outCount指針返回?cái)?shù)組的大小。需要注意的是吠卷，我們必須使用free()來釋放這個(gè)數(shù)組锡垄。

2.屬性操作函數(shù)，主要包含以下函數(shù)：

// 獲取指定的屬性
objc_property_t class_getProperty ( Class cls, const char *name );
// 獲取屬性列表
objc_property_t * class_copyPropertyList ( Class cls, unsigned int *outCount );
// 為類添加屬性
BOOL class_addProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );
// 替換類的屬性
void class_replaceProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );

這一種方法也是針對(duì)ivars來操作祭隔，不過只操作那些是屬性的值货岭。我們?cè)诤竺娼榻B屬性時(shí)會(huì)再遇到這些函數(shù)。

3.在MAC OS X系統(tǒng)中疾渴，我們可以使用垃圾回收器千贯。runtime提供了幾個(gè)函數(shù)來確定一個(gè)對(duì)象的內(nèi)存區(qū)域是否可以被垃圾回收器掃描，以處理strong/weak引用搞坝。這幾個(gè)函數(shù)定義如下：

const uint8_t * class_getIvarLayout ( Class cls );
void class_setIvarLayout ( Class cls, const uint8_t *layout );
const uint8_t * class_getWeakIvarLayout ( Class cls );
void class_setWeakIvarLayout ( Class cls, const uint8_t *layout );

但通常情況下搔谴，我們不需要去主動(dòng)調(diào)用這些方法；在調(diào)用objc_registerClassPair時(shí)桩撮，會(huì)生成合理的布局敦第。在此不詳細(xì)介紹這些函數(shù)。

方法(methodLists)

方法操作主要有以下函數(shù)：

// 添加方法
BOOL class_addMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types );
// 獲取實(shí)例方法
Method class_getInstanceMethod ( Class cls, SEL name );
// 獲取類方法
Method class_getClassMethod ( Class cls, SEL name );
// 獲取所有方法的數(shù)組
Method * class_copyMethodList ( Class cls, unsigned int *outCount );
// 替代方法的實(shí)現(xiàn)
IMP class_replaceMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types );
// 返回方法的具體實(shí)現(xiàn)
IMP class_getMethodImplementation ( Class cls, SEL name );
IMP class_getMethodImplementation_stret ( Class cls, SEL name );
// 類實(shí)例是否響應(yīng)指定的selector
BOOL class_respondsToSelector ( Class cls, SEL sel );

class_addMethod的實(shí)現(xiàn)會(huì)覆蓋父類的方法實(shí)現(xiàn)店量，但不會(huì)取代本類中已存在的實(shí)現(xiàn)芜果，如果本類中包含一個(gè)同名的實(shí)現(xiàn)，則函數(shù)會(huì)返回NO融师。如果要修改已存在實(shí)現(xiàn)右钾，可以使用method_setImplementation。一個(gè)Objective-C方法是一個(gè)簡(jiǎn)單的C函數(shù)诬滩，它至少包含兩個(gè)參數(shù)–self和_cmd霹粥。所以灭将，我們的實(shí)現(xiàn)函數(shù)(IMP參數(shù)指向的函數(shù))至少需要兩個(gè)參數(shù)疼鸟，如下所示：

void myMethodIMP(id self, SEL _cmd)
{
    // implementation ....
}

與成員變量不同的是，我們可以為類動(dòng)態(tài)添加方法庙曙，不管這個(gè)類是否已存在空镜。

另外，參數(shù)types是一個(gè)描述傳遞給方法的參數(shù)類型的字符數(shù)組，這就涉及到類型編碼吴攒，我們將在后面介紹张抄。

• class_getInstanceMethod、class_getClassMethod函數(shù)洼怔，與class_copyMethodList不同的是署惯，這兩個(gè)函數(shù)都會(huì)去搜索父類的實(shí)現(xiàn)。

• class_copyMethodList函數(shù)镣隶，返回包含所有實(shí)例方法的數(shù)組极谊，如果需要獲取類方法，則可以使用class_copyMethodList(object_getClass(cls), &count)(一個(gè)類的實(shí)例方法是定義在元類里面)安岂。該列表不包含父類實(shí)現(xiàn)的方法咙边。outCount參數(shù)返回方法的個(gè)數(shù)淑蔚。在獲取到列表后绪妹，我們需要使用free()方法來釋放它黄选。

• class_replaceMethod函數(shù)民镜，該函數(shù)的行為可以分為兩種：如果類中不存在name指定的方法，則類似于class_addMethod函數(shù)一樣會(huì)添加方法；如果類中已存在name指定的方法葛菇，則類似于method_setImplementation一樣替代原方法的實(shí)現(xiàn)庵朝。

• class_getMethodImplementation函數(shù)椎瘟，該函數(shù)在向類實(shí)例發(fā)送消息時(shí)會(huì)被調(diào)用儡羔，并返回一個(gè)指向方法實(shí)現(xiàn)函數(shù)的指針。這個(gè)函數(shù)會(huì)比method_getImplementation(class_getInstanceMethod(cls, name))更快。返回的函數(shù)指針可能是一個(gè)指向runtime內(nèi)部的函數(shù)，而不一定是方法的實(shí)際實(shí)現(xiàn)。例如，如果類實(shí)例無法響應(yīng)selector辜限，則返回的函數(shù)指針將是運(yùn)行時(shí)消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的一部分。

• class_respondsToSelector函數(shù)，我們通常使用NSObject類的respondsToSelector:或instancesRespondToSelector:方法來達(dá)到相同目的嵌纲。

協(xié)議(objc_protocol_list)

協(xié)議相關(guān)的操作包含以下函數(shù)：

// 添加協(xié)議
BOOL class_addProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );
// 返回類是否實(shí)現(xiàn)指定的協(xié)議
BOOL class_conformsToProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );
// 返回類實(shí)現(xiàn)的協(xié)議列表
Protocol * class_copyProtocolList ( Class cls, unsigned int *outCount );

• class_conformsToProtocol函數(shù)可以使用NSObject類的conformsToProtocol:方法來替代师溅。

• class_copyProtocolList函數(shù)返回的是一個(gè)數(shù)組，在使用后我們需要使用free()手動(dòng)釋放盾舌。

版本(version)

版本相關(guān)的操作包含以下函數(shù)：

// 獲取版本號(hào)
int class_getVersion ( Class cls );
// 設(shè)置版本號(hào)
void class_setVersion ( Class cls, int version );

其它

runtime還提供了兩個(gè)函數(shù)來供CoreFoundation的tool-free bridging使用险胰，即：

Class objc_getFutureClass ( const char *name );
void objc_setFutureClass ( Class cls, const char *name );

通常我們不直接使用這兩個(gè)函數(shù)。

實(shí)例(Example)

上面列舉了大量類操作的函數(shù)矿筝，下面我們寫個(gè)實(shí)例起便，來看看這些函數(shù)的實(shí)例效果：

//-----------------------------------------------------------
// MyClass.h
@interface MyClass : NSObject <NSCopying, NSCoding>
@property (nonatomic, strong) NSArray *array;
@property (nonatomic, copy) NSString *string;
- (void)method1;
- (void)method2;
+ (void)classMethod1;
@end
//-----------------------------------------------------------
// MyClass.m
#import "MyClass.h"
@interface MyClass () {
    NSInteger       _instance1;
    NSString    *   _instance2;
}
@property (nonatomic, assign) NSUInteger integer;
- (void)method3WithArg1:(NSInteger)arg1 arg2:(NSString *)arg2;
@end
@implementation MyClass
+ (void)classMethod1 {
}
- (void)method1 {
    NSLog(@"call method method1");
}
- (void)method2 {
}
- (void)method3WithArg1:(NSInteger)arg1 arg2:(NSString *)arg2 {
    NSLog(@"arg1 : %ld, arg2 : %@", arg1, arg2);
}
@end
//-----------------------------------------------------------
// main.h
#import "MyClass.h"
#import "MySubClass.h"
#import <objc/runtime.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        MyClass *myClass = [[MyClass alloc] init];
        unsigned int outCount = 0;
        Class cls = myClass.class;
        // 類名
        NSLog(@"class name: %s", class_getName(cls));
        NSLog(@"==========================================================");
        // 父類
        NSLog(@"super class name: %s", class_getName(class_getSuperclass(cls)));
        NSLog(@"==========================================================");
        // 是否是元類
        NSLog(@"MyClass is %@ a meta-class", (class_isMetaClass(cls) ? @"" : @"not"));
        NSLog(@"==========================================================");
        Class meta_class = objc_getMetaClass(class_getName(cls));
        NSLog(@"%s's meta-class is %s", class_getName(cls), class_getName(meta_class));
        NSLog(@"==========================================================");
        // 變量實(shí)例大小
        NSLog(@"instance size: %zu", class_getInstanceSize(cls));
        NSLog(@"==========================================================");
        // 成員變量
        Ivar *ivars = class_copyIvarList(cls, &outCount);
        for (int i = 0; i < outCount; i++) {
            Ivar ivar = ivars[i];
            NSLog(@"instance variable's name: %s at index: %d", ivar_getName(ivar), i);
        }
        free(ivars);
        Ivar string = class_getInstanceVariable(cls, "_string");
        if (string != NULL) {
            NSLog(@"instace variable %s", ivar_getName(string));
        }
        NSLog(@"==========================================================");
        // 屬性操作
        objc_property_t * properties = class_copyPropertyList(cls, &outCount);
        for (int i = 0; i < outCount; i++) {
            objc_property_t property = properties[i];
            NSLog(@"property's name: %s", property_getName(property));
        }
        free(properties);
        objc_property_t array = class_getProperty(cls, "array");
        if (array != NULL) {
            NSLog(@"property %s", property_getName(array));
        }
        NSLog(@"==========================================================");
        // 方法操作
        Method *methods = class_copyMethodList(cls, &outCount);
        for (int i = 0; i < outCount; i++) {
            Method method = methods[i];
            NSLog(@"method's signature: %s", method_getName(method));
        }
        free(methods);
        Method method1 = class_getInstanceMethod(cls, @selector(method1));
        if (method1 != NULL) {
            NSLog(@"method %s", method_getName(method1));
        }
        Method classMethod = class_getClassMethod(cls, @selector(classMethod1));
        if (classMethod != NULL) {
            NSLog(@"class method : %s", method_getName(classMethod));
        }
        NSLog(@"MyClass is%@ responsd to selector: method3WithArg1:arg2:", class_respondsToSelector(cls, @selector(method3WithArg1:arg2:)) ? @"" : @" not");
        IMP imp = class_getMethodImplementation(cls, @selector(method1));
        imp();
        NSLog(@"==========================================================");
        // 協(xié)議
        Protocol * __unsafe_unretained * protocols = class_copyProtocolList(cls, &outCount);
        Protocol * protocol;
        for (int i = 0; i < outCount; i++) {
          protocol = protocols[i];
          NSLog(@"protocol name: %s", protocol_getName(protocol));
        }
        NSLog(@"MyClass is%@ responsed to protocol %s", class_conformsToProtocol(cls, protocol) ? @"" : @" not", protocol_getName(protocol));
        NSLog(@"==========================================================");
    }
    return 0;
}

這段程序的輸出如下：

2014-10-22 19:41:37.452 RuntimeTest[3189:156810] class name: MyClass
2014-10-22 19:41:37.453 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================
2014-10-22 19:41:37.454 RuntimeTest[3189:156810] super class name: NSObject
2014-10-22 19:41:37.454 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================
2014-10-22 19:41:37.454 RuntimeTest[3189:156810] MyClass is not a meta-class
2014-10-22 19:41:37.454 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================
2014-10-22 19:41:37.454 RuntimeTest[3189:156810] MyClass's meta-class is MyClass
2014-10-22 19:41:37.455 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================
2014-10-22 19:41:37.455 RuntimeTest[3189:156810] instance size: 48
2014-10-22 19:41:37.455 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================
2014-10-22 19:41:37.455 RuntimeTest[3189:156810] instance variable's name: _instance1 at index: 0
2014-10-22 19:41:37.455 RuntimeTest[3189:156810] instance variable's name: _instance2 at index: 1
2014-10-22 19:41:37.455 RuntimeTest[3189:156810] instance variable's name: _array at index: 2
2014-10-22 19:41:37.455 RuntimeTest[3189:156810] instance variable's name: _string at index: 3
2014-10-22 19:41:37.463 RuntimeTest[3189:156810] instance variable's name: _integer at index: 4
2014-10-22 19:41:37.463 RuntimeTest[3189:156810] instace variable _string
2014-10-22 19:41:37.463 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================
2014-10-22 19:41:37.463 RuntimeTest[3189:156810] property's name: array
2014-10-22 19:41:37.463 RuntimeTest[3189:156810] property's name: string
2014-10-22 19:41:37.464 RuntimeTest[3189:156810] property's name: integer
2014-10-22 19:41:37.464 RuntimeTest[3189:156810] property array
2014-10-22 19:41:37.464 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================
2014-10-22 19:41:37.464 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: method1
2014-10-22 19:41:37.464 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: method2
2014-10-22 19:41:37.464 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: method3WithArg1:arg2:
2014-10-22 19:41:37.465 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: integer
2014-10-22 19:41:37.465 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: setInteger:
2014-10-22 19:41:37.465 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: array
2014-10-22 19:41:37.465 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: string
2014-10-22 19:41:37.465 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: setString:
2014-10-22 19:41:37.465 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: setArray:
2014-10-22 19:41:37.466 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: .cxx_destruct
2014-10-22 19:41:37.466 RuntimeTest[3189:156810] method method1
2014-10-22 19:41:37.466 RuntimeTest[3189:156810] class method : classMethod1
2014-10-22 19:41:37.466 RuntimeTest[3189:156810] MyClass is responsd to selector: method3WithArg1:arg2:
2014-10-22 19:41:37.467 RuntimeTest[3189:156810] call method method1
2014-10-22 19:41:37.467 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================
2014-10-22 19:41:37.467 RuntimeTest[3189:156810] protocol name: NSCopying
2014-10-22 19:41:37.467 RuntimeTest[3189:156810] protocol name: NSCoding
2014-10-22 19:41:37.467 RuntimeTest[3189:156810] MyClass is responsed to protocol NSCoding
2014-10-22 19:41:37.468 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================

動(dòng)態(tài)創(chuàng)建類和對(duì)象

runtime的強(qiáng)大之處在于它能在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建類和對(duì)象。

動(dòng)態(tài)創(chuàng)建類

動(dòng)態(tài)創(chuàng)建類涉及到以下幾個(gè)函數(shù)：

// 創(chuàng)建一個(gè)新類和元類
Class objc_allocateClassPair ( Class superclass, const char *name, size_t extraBytes );
// 銷毀一個(gè)類及其相關(guān)聯(lián)的類
void objc_disposeClassPair ( Class cls );
// 在應(yīng)用中注冊(cè)由objc_allocateClassPair創(chuàng)建的類
void objc_registerClassPair ( Class cls );

• objc_allocateClassPair函數(shù)：如果我們要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)根類窖维，則superclass指定為Nil榆综。extraBytes通常指定為0，該參數(shù)是分配給類和元類對(duì)象尾部的索引ivars的字節(jié)數(shù)铸史。
  為了創(chuàng)建一個(gè)新類鼻疮，我們需要調(diào)用objc_allocateClassPair。然后使用諸如class_addMethod琳轿，class_addIvar等函數(shù)來為新創(chuàng)建的類添加方法判沟、實(shí)例變量和屬性等耿芹。完成這些后，我們需要調(diào)用objc_registerClassPair函數(shù)來注冊(cè)類挪哄，之后這個(gè)新類就可以在程序中使用了吧秕。

實(shí)例方法和實(shí)例變量應(yīng)該添加到類自身上，而類方法應(yīng)該添加到類的元類上迹炼。

• objc_disposeClassPair函數(shù)用于銷毀一個(gè)類砸彬，不過需要注意的是，如果程序運(yùn)行中還存在類或其子類的實(shí)例斯入，則不能調(diào)用針對(duì)類調(diào)用該方法砂碉。

在前面介紹元類時(shí)，我們已經(jīng)有接觸到這幾個(gè)函數(shù)了刻两，在此我們?cè)倥e個(gè)實(shí)例來看看這幾個(gè)函數(shù)的使用增蹭。

Class cls = objc_allocateClassPair(MyClass.class, "MySubClass", 0);
class_addMethod(cls, @selector(submethod1), (IMP)imp_submethod1, "v@:");
class_replaceMethod(cls, @selector(method1), (IMP)imp_submethod1, "v@:");
class_addIvar(cls, "_ivar1", sizeof(NSString *), log(sizeof(NSString *)), "i");
objc_property_attribute_t type = {"T", "@\"NSString\""};
objc_property_attribute_t ownership = { "C", "" };
objc_property_attribute_t backingivar = { "V", "_ivar1"};
objc_property_attribute_t attrs[] = {type, ownership, backingivar};
class_addProperty(cls, "property2", attrs, 3);
objc_registerClassPair(cls);
id instance = [[cls alloc] init];
[instance performSelector:@selector(submethod1)];
[instance performSelector:@selector(method1)];

程序的輸出如下：

2014-10-23 11:35:31.006 RuntimeTest[3800:66152] run sub method 1
2014-10-23 11:35:31.006 RuntimeTest[3800:66152] run sub method 1

動(dòng)態(tài)創(chuàng)建對(duì)象

動(dòng)態(tài)創(chuàng)建對(duì)象的函數(shù)如下：

// 創(chuàng)建類實(shí)例
id class_createInstance ( Class cls, size_t extraBytes );
// 在指定位置創(chuàng)建類實(shí)例
id objc_constructInstance ( Class cls, void *bytes );
// 銷毀類實(shí)例
void * objc_destructInstance ( id obj );

• class_createInstance函數(shù)：創(chuàng)建實(shí)例時(shí)，會(huì)在默認(rèn)的內(nèi)存區(qū)域?yàn)轭惙峙鋬?nèi)存磅摹。extraBytes參數(shù)表示分配的額外字節(jié)數(shù)沪铭。這些額外的字節(jié)可用于存儲(chǔ)在類定義中所定義的實(shí)例變量之外的實(shí)例變量。該函數(shù)在ARC環(huán)境下無法使用偏瓤。

調(diào)用class_createInstance的效果與+alloc方法類似杀怠。不過在使用class_createInstance時(shí)，我們需要確切的知道我們要用它來做什么厅克。在下面的例子中赔退，我們用NSString來測(cè)試一下該函數(shù)的實(shí)際效果：

id theObject = class_createInstance(NSString.class, sizeof(unsigned));

id str1 = [theObject init];
NSLog(@"%@", [str1 class]);
id str2 = [[NSString alloc] initWithString:@"test"];
NSLog(@"%@", [str2 class]);

輸出結(jié)果是：

2014-10-23 12:46:50.781 RuntimeTest[4039:89088] NSString
2014-10-23 12:46:50.781 RuntimeTest[4039:89088] __NSCFConstantString

可以看到，使用class_createInstance函數(shù)獲取的是NSString實(shí)例证舟，而不是類簇中的默認(rèn)占位符類__NSCFConstantString硕旗。

• objc_constructInstance函數(shù)：在指定的位置(bytes)創(chuàng)建類實(shí)例。

• objc_destructInstance函數(shù)：銷毀一個(gè)類的實(shí)例女责，但不會(huì)釋放并移除任何與其相關(guān)的引用漆枚。

實(shí)例操作函數(shù)

實(shí)例操作函數(shù)主要是針對(duì)我們創(chuàng)建的實(shí)例對(duì)象的一系列操作函數(shù)，我們可以使用這組函數(shù)來從實(shí)例對(duì)象中獲取我們想要的一些信息抵知，如實(shí)例對(duì)象中變量的值墙基。這組函數(shù)可以分為三小類：

1.針對(duì)整個(gè)對(duì)象進(jìn)行操作的函數(shù)，這類函數(shù)包含

// 返回指定對(duì)象的一份拷貝
id object_copy ( id obj, size_t size );
// 釋放指定對(duì)象占用的內(nèi)存
id object_dispose ( id obj );

有這樣一種場(chǎng)景刷喜，假設(shè)我們有類A和類B残制，且類B是類A的子類。類B通過添加一些額外的屬性來擴(kuò)展類A∫创現(xiàn)在我們創(chuàng)建了一個(gè)A類的實(shí)例對(duì)象初茶，并希望在運(yùn)行時(shí)將這個(gè)對(duì)象轉(zhuǎn)換為B類的實(shí)例對(duì)象，這樣可以添加數(shù)據(jù)到B類的屬性中浊闪。這種情況下恼布，我們沒有辦法直接轉(zhuǎn)換螺戳，因?yàn)锽類的實(shí)例會(huì)比A類的實(shí)例更大，沒有足夠的空間來放置對(duì)象折汞。此時(shí)倔幼，我們就要以使用以上幾個(gè)函數(shù)來處理這種情況，如下代碼所示：

NSObject *a = [[NSObject alloc] init];
id newB = object_copy(a, class_getInstanceSize(MyClass.class));
object_setClass(newB, MyClass.class);
object_dispose(a);

2.針對(duì)對(duì)象實(shí)例變量進(jìn)行操作的函數(shù)字支，這類函數(shù)包含：

// 修改類實(shí)例的實(shí)例變量的值
Ivar object_setInstanceVariable ( id obj, const char *name, void *value );
// 獲取對(duì)象實(shí)例變量的值
Ivar object_getInstanceVariable ( id obj, const char *name, void **outValue );
// 返回指向給定對(duì)象分配的任何額外字節(jié)的指針
void * object_getIndexedIvars ( id obj );
// 返回對(duì)象中實(shí)例變量的值
id object_getIvar ( id obj, Ivar ivar );
// 設(shè)置對(duì)象中實(shí)例變量的值
void object_setIvar ( id obj, Ivar ivar, id value );

如果實(shí)例變量的Ivar已經(jīng)知道凤藏，那么調(diào)用object_getIvar會(huì)比object_getInstanceVariable函數(shù)快奸忽，相同情況下堕伪，object_setIvar也比object_setInstanceVariable快。

3.針對(duì)對(duì)象的類進(jìn)行操作的函數(shù)栗菜，這類函數(shù)包含：

// 返回給定對(duì)象的類名
const char * object_getClassName ( id obj );
// 返回對(duì)象的類
Class object_getClass ( id obj );
// 設(shè)置對(duì)象的類
Class object_setClass ( id obj, Class cls );

獲取類定義

Objective-C動(dòng)態(tài)運(yùn)行庫會(huì)自動(dòng)注冊(cè)我們代碼中定義的所有的類欠雌。我們也可以在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建類定義并使用objc_addClass函數(shù)來注冊(cè)它們。runtime提供了一系列函數(shù)來獲取類定義相關(guān)的信息疙筹，這些函數(shù)主要包括：

// 獲取已注冊(cè)的類定義的列表
int objc_getClassList ( Class *buffer, int bufferCount );
// 創(chuàng)建并返回一個(gè)指向所有已注冊(cè)類的指針列表
Class * objc_copyClassList ( unsigned int *outCount );
// 返回指定類的類定義
Class objc_lookUpClass ( const char *name );
Class objc_getClass ( const char *name );
Class objc_getRequiredClass ( const char *name );
// 返回指定類的元類
Class objc_getMetaClass ( const char *name );

• objc_getClassList函數(shù)：獲取已注冊(cè)的類定義的列表富俄。我們不能假設(shè)從該函數(shù)中獲取的類對(duì)象是繼承自NSObject體系的，所以在這些類上調(diào)用方法是而咆，都應(yīng)該先檢測(cè)一下這個(gè)方法是否在這個(gè)類中實(shí)現(xiàn)霍比。

下面代碼演示了該函數(shù)的用法：

int numClasses;
Class * classes = NULL;
numClasses = objc_getClassList(NULL, 0);
if (numClasses > 0) {
    classes = malloc(sizeof(Class) * numClasses);
    numClasses = objc_getClassList(classes, numClasses);
    NSLog(@"number of classes: %d", numClasses);
    for (int i = 0; i < numClasses; i++) {
        Class cls = classes[i];
        NSLog(@"class name: %s", class_getName(cls));
    }
    free(classes);
}

輸出結(jié)果如下：

2014-10-23 16:20:52.589 RuntimeTest[8437:188589] number of classes: 1282
2014-10-23 16:20:52.589 RuntimeTest[8437:188589] class name: DDTokenRegexp
2014-10-23 16:20:52.590 RuntimeTest[8437:188589] class name: _NSMostCommonKoreanCharsKeySet
2014-10-23 16:20:52.590 RuntimeTest[8437:188589] class name: OS_xpc_dictionary
2014-10-23 16:20:52.590 RuntimeTest[8437:188589] class name: NSFileCoordinator
2014-10-23 16:20:52.590 RuntimeTest[8437:188589] class name: NSAssertionHandler
2014-10-23 16:20:52.590 RuntimeTest[8437:188589] class name: PFUbiquityTransactionLogMigrator
2014-10-23 16:20:52.591 RuntimeTest[8437:188589] class name: NSNotification
2014-10-23 16:20:52.591 RuntimeTest[8437:188589] class name: NSKeyValueNilSetEnumerator
2014-10-23 16:20:52.591 RuntimeTest[8437:188589] class name: OS_tcp_connection_tls_session
2014-10-23 16:20:52.591 RuntimeTest[8437:188589] class name: _PFRoutines
......還有大量輸出

• 獲取類定義的方法有三個(gè)：objc_lookUpClass, objc_getClass和objc_getRequiredClass。如果類在運(yùn)行時(shí)未注冊(cè)暴备，則objc_lookUpClass會(huì)返回nil悠瞬，而objc_getClass會(huì)調(diào)用類處理回調(diào)，并再次確認(rèn)類是否注冊(cè)涯捻，如果確認(rèn)未注冊(cè)浅妆，再返回nil。而objc_getRequiredClass函數(shù)的操作與objc_getClass相同障癌，只不過如果沒有找到類凌外，則會(huì)殺死進(jìn)程。

• objc_getMetaClass函數(shù)：如果指定的類沒有注冊(cè)涛浙，則該函數(shù)會(huì)調(diào)用類處理回調(diào)康辑，并再次確認(rèn)類是否注冊(cè)，如果確認(rèn)未注冊(cè)轿亮，再返回nil晾捏。不過，每個(gè)類定義都必須有一個(gè)有效的元類定義哀托，所以這個(gè)函數(shù)總是會(huì)返回一個(gè)元類定義惦辛，不管它是否有效。

小結(jié)

在這一章中我們介紹了Runtime運(yùn)行時(shí)中與類和對(duì)象相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仓手，通過這些數(shù)據(jù)函數(shù)胖齐，我們可以管窺Objective-C底層面向?qū)ο髮?shí)現(xiàn)的一些信息玻淑。另外，通過豐富的操作函數(shù)呀伙，可以靈活地對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行操作补履。

參考

1. Objective-C Runtime Reference
2. Objective-C Runtime的數(shù)據(jù)類型
3. 詳解Objective-C的meta-class
4. what are class_setIvarLayout and class_getIvarLayout?
5. What’s the difference between doing alloc and class_createInstance