你要知道的runtime都在這里
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本文主要講解runtime相關(guān)知識(shí)，從原理到實(shí)踐，由于包含內(nèi)容過多分為以下五篇文章詳細(xì)講解供炼，可自行選擇需要了解的方向:
- 從runtime開始: 理解面向?qū)ο蟮念惖矫嫦蜻^程的結(jié)構(gòu)體
- 從runtime開始: 深入理解OC消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制
- 從runtime開始: 理解OC的屬性property
- 從runtime開始: 實(shí)踐Category添加屬性與黑魔法method swizzling
- 從runtime開始: 深入weak實(shí)現(xiàn)機(jī)理
本文是系列文章的第二篇文章從runtime開始: 深入理解OC消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，主要從runtime出發(fā)講解OC的消息傳遞和消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制擎值。
你不知道的msg_send
我們知道在OC中的實(shí)例對(duì)象調(diào)用一個(gè)方法稱作消息傳遞，比如有如下代碼:
NSMutableString *str = [[NSMutableString alloc] initWithString: @"Jiaming Chen"];
[str appendString:@" is a good guy."];
上述代碼中的第二句str稱為消息的接受者配猫，appendString:稱作選擇子也就是我們常用的selector幅恋，selector和參數(shù)共同構(gòu)成了消息，所以第二句話可以理解為將消息:"增加一個(gè)字符串: is a good guy"發(fā)送給消息的接受者str泵肄。
OC中里的消息傳遞采用動(dòng)態(tài)綁定機(jī)制來決定具體調(diào)用哪個(gè)方法捆交，OC的實(shí)例方法在轉(zhuǎn)寫為C語(yǔ)言后實(shí)際就是一個(gè)函數(shù)，但是OC并不是在編譯期決定調(diào)用哪個(gè)函數(shù)腐巢，而是在運(yùn)行期決定品追，因?yàn)榫幾g期根本不能確定最終會(huì)調(diào)用哪個(gè)函數(shù)，這是由于運(yùn)行期可以修改方法的實(shí)現(xiàn)冯丙，在后文會(huì)有講解肉瓦。舉個(gè)栗子，有如下代碼:
id num = @123;
//輸出123
NSLog(@"%@", num);
//程序崩潰,報(bào)錯(cuò)[__NSCFNumber appendString:]: unrecognized selector sent to instance 0x7b27
[num appendString:@"Hello World"];
上述代碼在編譯期沒有任何問題胃惜，因?yàn)?code>id類型可以指向任何類型的實(shí)例對(duì)象泞莉，NSString有一個(gè)方法appendString:，在編譯期不確定這個(gè)num到底具體指代什么類型的實(shí)例對(duì)象船殉，并且在運(yùn)行期還可以給NSNumber類型添加新的方法鲫趁，因此編譯期發(fā)現(xiàn)有appendString:的函數(shù)聲明就不會(huì)報(bào)錯(cuò)，但在運(yùn)行時(shí)找不到在NSNumber類中找不到appendString:方法利虫，就會(huì)報(bào)錯(cuò)挨厚。這也就是消息傳遞的強(qiáng)大之處和弊端堡僻，編譯期無法檢查到未定義的方法，運(yùn)行期可以添加新的方法疫剃。
講了這么多OC究竟是怎么將實(shí)例方法轉(zhuǎn)換為C語(yǔ)言的函數(shù)钉疫，又是如何調(diào)用這些函數(shù)的呢？這些都依靠強(qiáng)大的runtime巢价。
在深入代碼之前介紹一個(gè)clang編譯器的命令:
clang -rewrite-objc main.m
該命令可以將.m的OC文件轉(zhuǎn)寫為.cpp文件
有如下代碼:
@interface Person : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString* name;
@property (nonatomic, assign) NSUInteger age;
- (void)showMyself;
@end
@implementation Person
@synthesize name = _name;
@synthesize age = _age;
- (void)showMyself {
NSLog(@"My name is %@ I am %ld years old.", self.name, self.age);
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
//為了方便查看轉(zhuǎn)寫后的C語(yǔ)言代碼牲阁，將alloc和init分兩步完成
Person *p = [Person alloc];
p = [p init];
p.name = @"Jiaming Chen";
[p showMyself];
}
return 0;
}
通過上述clang命令可以轉(zhuǎn)寫代碼，然后找到如下定義:
static NSString * _I_Person_name(Person * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_Person$_name)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);
static void _I_Person_setName_(Person * self, SEL _cmd, NSString *name) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct Person, _name), (id)name, 0, 1); }
// @synthesize age = _age;
static NSUInteger _I_Person_age(Person * self, SEL _cmd) { return (*(NSUInteger *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_Person$_age)); }
static void _I_Person_setAge_(Person * self, SEL _cmd, NSUInteger age) { (*(NSUInteger *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_Person$_age)) = age; }
static void _I_Person_showMyself(Person * self, SEL _cmd) {
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_1f_dz4kq57d4b19s4tfmds1mysh0000gn_T_main_f5b408_mi_0, ((NSString *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("name")), ((NSUInteger (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("age")));
}
// @end
int main(int argc, const char * argv[]) {
/* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
Person *p = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc"));
p = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)p, sel_registerName("init"));
((void (*)(id, SEL, NSString *))(void *)objc_msgSend)((id)p, sel_registerName("setName:"), (NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_1f_dz4kq57d4b19s4tfmds1mysh0000gn_T_main_f5b408_mi_1);
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)p, sel_registerName("showMyself"));
}
return 0;
}
關(guān)于屬性property生成的getter蹄溉、setter和實(shí)例變量相關(guān)代碼在另一篇博客iOS @property探究(二): 深入理解中有詳細(xì)介紹咨油，本文不再贅述您炉，本文僅針對(duì)自定義的方法來講解柒爵。
可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)寫后的C語(yǔ)言代碼將實(shí)例方法轉(zhuǎn)寫為了一個(gè)靜態(tài)函數(shù)。接下來一行一行的分析上述代碼赚爵，第一行代碼可以簡(jiǎn)要表示為如下代碼:
Person *p = objc_msgSend(objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc"));
這一行代碼做了三件事情棉胀，第一獲取Person類，第二注冊(cè)alloc方法冀膝，第三發(fā)送消息唁奢，將消息alloc發(fā)送給類對(duì)象，可以簡(jiǎn)單的將注冊(cè)方法理解為窝剖，通過方法名獲取到轉(zhuǎn)寫后C語(yǔ)言函數(shù)的函數(shù)指針麻掸。
第二行代碼就可以簡(jiǎn)寫為如下代碼:
p = objc_msgSend(p, sel_registerName("init"));
這一行代碼與上一行類似，注冊(cè)了init方法赐纱，然后通過objc_msgSend函數(shù)將消息init發(fā)送給消息的接受者p脊奋。
第三行是一個(gè)對(duì)setter的調(diào)用，同樣的也可以簡(jiǎn)寫為如下代碼:
//這一行是用來查找參數(shù)的地址疙描，取名為name
(NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_1f_dz4kq57d4b19s4tfmds1mysh0000gn_T_main_f5b408_mi_1)
objc_msgSend(p, sel_registerName("setName:"), name);
這一行代碼同樣是先注冊(cè)方法setName:然后通過objc_msgSend函數(shù)將消息setName:發(fā)送給消息的接收者诚隙，只是多了一個(gè)參數(shù)的傳遞。
同理起胰，最后一行代碼也可以簡(jiǎn)寫為如下:
objc_msgSend(p, sel_registerName("showMyself"));
解釋與上述相同久又，不再贅述。
到這里效五，我們應(yīng)該就可以看出OC的runtime通過objc_msgSend函數(shù)將一個(gè)面向?qū)ο蟮南鬟f轉(zhuǎn)為了面向過程的函數(shù)調(diào)用地消。
objc_msgSend函數(shù)根據(jù)消息的接受者和selector選擇適當(dāng)?shù)姆椒▉碚{(diào)用，那它又是如何選擇的呢畏妖？這就涉及到前一篇博客講解的內(nèi)容iOS runtime探究(一): 從runtime開始: 理解面向?qū)ο蟮念惖矫嫦蜻^程的結(jié)構(gòu)體脉执，這一篇博客中詳細(xì)講解了OC的runtime是如何將面向?qū)ο蟮念愑成錇槊嫦蜻^程的結(jié)構(gòu)體的，再來回顧一下幾個(gè)主要的結(jié)構(gòu)體:
文件objc/runtime.h中有如下定義:
struct objc_class {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
Class super_class
const char *name
long version
long info
long instance_size
struct objc_ivar_list *ivars
struct objc_method_list **methodLists
struct objc_cache *cache
struct objc_protocol_list *protocols
}
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */
文件objc/objc.h文件中有如下定義
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
注意結(jié)構(gòu)體struct objc_class中包含一個(gè)成員變量struct objc_method_list **methodLists瓜客，通過名稱我們分析出這個(gè)成員變量保存了實(shí)例方法列表适瓦，繼續(xù)查找結(jié)構(gòu)體struct objc_method_list的定義如下:
static struct /*_method_list_t*/ {
unsigned int entsize; // sizeof(struct _objc_method)
unsigned int method_count;
struct _objc_method method_list[5];
} _OBJC_$_INSTANCE_METHODS_Person __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
sizeof(_objc_method),
5,
{{(struct objc_selector *)"showMyself", "v16@0:8", (void *)_I_Person_showMyself},
{(struct objc_selector *)"name", "@16@0:8", (void *)_I_Person_name},
{(struct objc_selector *)"setName:", "v24@0:8@16", (void *)_I_Person_setName_},
{(struct objc_selector *)"age", "Q16@0:8", (void *)_I_Person_age},
{(struct objc_selector *)"setAge:", "v24@0:8Q16", (void *)_I_Person_setAge_}}
};
struct _objc_method {
struct objc_selector * _cmd;
const char *method_type;
void *_imp;
};
我們發(fā)現(xiàn)struct objc_method_list中還包含了一個(gè)未知的結(jié)構(gòu)體struct _objc_method同時(shí)也找到它的定義竿开，為了方便查看將兩者寫在一起。
結(jié)構(gòu)體struct objc_method_list里面包含以下幾個(gè)成員變量：結(jié)構(gòu)體struct _objc_method的大小玻熙、方法個(gè)數(shù)以及最重要的方法列表否彩，方法列表存儲(chǔ)的是方法描述結(jié)構(gòu)體struct _objc_method，該結(jié)構(gòu)體里保存了選擇子嗦随、方法類型以及方法的具體實(shí)現(xiàn)列荔。可以看出方法的具體實(shí)現(xiàn)就是一個(gè)函數(shù)指針枚尼，也就是我們自定義的實(shí)例方法贴浙，選擇子也就是selector可以理解為是一個(gè)字符串類型的名稱，用于查找對(duì)應(yīng)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)（由于蘋果沒有開源selector的相關(guān)代碼署恍，但是可以查到GNU OC中關(guān)于selector的定義崎溃，也是一個(gè)結(jié)構(gòu)體但是結(jié)構(gòu)體里存儲(chǔ)的就是一個(gè)字符串類型的名稱）。
這樣就能解釋objc_msgSend的工作原理的盯质，為了匹配消息的接收者和選擇子袁串，需要在消息的接收者所在的類中去搜索這個(gè)struct objc_method_list方法列表，如果能找到就可以直接跳轉(zhuǎn)到相關(guān)的具體實(shí)現(xiàn)中去調(diào)用呼巷，如果找不到囱修，那就會(huì)通過super_class指針沿著繼承樹向上去搜索，如果找到就跳轉(zhuǎn)王悍，如果到了繼承樹的根部（通常為NSObject）還沒有找到破镰，那就會(huì)調(diào)用NSObjec的一個(gè)方法doesNotRecognizeSelector:，這個(gè)方法就會(huì)報(bào)unrecognized selector錯(cuò)誤（其實(shí)在調(diào)用這個(gè)方法之前還會(huì)進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)压储，還有三次機(jī)會(huì)來處理鲜漩，消息轉(zhuǎn)發(fā)在后文會(huì)有介紹）。
這樣一看渠脉，要發(fā)送消息真的好復(fù)雜宇整，需要經(jīng)過這么多步驟，難道不會(huì)影響性能嗎芋膘？當(dāng)然了鳞青，這樣一次次搜索和靜態(tài)綁定那樣直接跳轉(zhuǎn)到函數(shù)指針指向的位置去執(zhí)行來比肯定是耗時(shí)很多的，因此为朋，類對(duì)象也就是結(jié)構(gòu)體struct objc_class中有一個(gè)成員變量struct objc_cache臂拓，這個(gè)緩存里緩存的正是搜索方法的匹配結(jié)果，這樣在第二次及以后再訪問時(shí)就可以采用映射的方式找到相關(guān)實(shí)現(xiàn)的具體位置习寸。
到這里我們就已經(jīng)弄清楚了整個(gè)發(fā)送消息的過程胶惰，但是當(dāng)對(duì)象無法接收相關(guān)消息時(shí)又會(huì)發(fā)生什么？以及前文說的三次機(jī)會(huì)又是什么霞溪？下文將會(huì)介紹消息轉(zhuǎn)發(fā)孵滞。
消息轉(zhuǎn)發(fā): unrecognized selector的最后三次機(jī)會(huì)
還是那個(gè)栗子:
id num = @123;
//輸出123
NSLog(@"%@", num);
//程序崩潰,報(bào)錯(cuò)[__NSCFNumber appendString:]: unrecognized selector sent to instance 0x7b27
[num appendString:@"Hello World"];
前文介紹了進(jìn)行一次發(fā)送消息會(huì)在相關(guān)的類對(duì)象中搜索方法列表中捆，如果找不到則會(huì)沿著繼承樹向上一直搜索知道繼承樹根部（通常為NSObject），如果還是找不到并且消息轉(zhuǎn)發(fā)都失敗了就回執(zhí)行doesNotRecognizeSelector:方法報(bào)unrecognized selector錯(cuò)坊饶。那么消息轉(zhuǎn)發(fā)到底是什么呢泄伪？接下來將會(huì)逐一介紹最后的三次機(jī)會(huì)。
第一次機(jī)會(huì): 所屬類動(dòng)態(tài)方法解析
首先匿级，如果沿繼承樹沒有搜索到相關(guān)方法則會(huì)向接收者所屬的類進(jìn)行一次請(qǐng)求蟋滴，看是否能夠動(dòng)態(tài)的添加一個(gè)方法，注意這是一個(gè)類方法痘绎，因?yàn)槭窍蚪邮照咚鶎俚念愡M(jìn)行請(qǐng)求津函。
+(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)name
舉個(gè)栗子吧:
@interface Person : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString* name;
@property (nonatomic, assign) NSUInteger age;
@end
@implementation Person
@synthesize name = _name;
@synthesize age = _age;
//如果需要傳參直接在參數(shù)列表后面添加就好了
void dynamicAdditionMethodIMP(id self, SEL _cmd) {
NSLog(@"dynamicAdditionMethodIMP");
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)name {
NSLog(@"resolveInstanceMethod: %@", NSStringFromSelector(name));
if (name == @selector(appendString:)) {
class_addMethod([self class], name, (IMP)dynamicAdditionMethodIMP, "v@:");
return YES;
}
return [super resolveInstanceMethod:name];
}
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)name {
NSLog(@"resolveClassMethod %@", NSStringFromSelector(name));
return [super resolveClassMethod:name];
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
id p = [[Person alloc] init];
[p appendString:@""];
}
return 0;
}
先看一下最后的輸出結(jié)果吧:
2017-03-24 19:05:25.092404 OCTest[5142:1185077] resolveInstanceMethod: appendString:
2017-03-24 19:05:25.092810 OCTest[5142:1185077] dynamicAdditionMethodIMP
先看一下main函數(shù)，首先創(chuàng)建了一個(gè)Person的實(shí)例對(duì)象孤页，一定要用id類型來聲明尔苦，否則會(huì)在編譯期就報(bào)錯(cuò)，因?yàn)檎也坏较嚓P(guān)函數(shù)的聲明散庶，id類型由于可以指向任何類型的對(duì)象蕉堰，因此編譯時(shí)能夠找到NSString類的相關(guān)方法聲明就不會(huì)報(bào)錯(cuò)。
由于Person類沒有聲明和定義appendString:方法悲龟，所以運(yùn)行時(shí)應(yīng)該會(huì)報(bào)unrecognized selector錯(cuò)誤，但是并沒有冰寻，因?yàn)槲覀冎貙懥祟惙椒?code>+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)name须教，當(dāng)找不到相關(guān)實(shí)例方法的時(shí)候就會(huì)調(diào)用該類方法去詢問是否可以動(dòng)態(tài)添加，如果返回True就會(huì)再次執(zhí)行相關(guān)方法斩芭，接下來看一下如何給一個(gè)類動(dòng)態(tài)添加一個(gè)方法轻腺，那就是調(diào)用runtime庫(kù)中的class_addMethod方法，該方法的原型是
BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types);
通過參數(shù)名可以看出第一個(gè)參數(shù)是需要添加方法的類划乖，第二個(gè)參數(shù)是一個(gè)selector贬养，也就是實(shí)例方法的名字，第三個(gè)參數(shù)是一個(gè)IMP類型的變量也就是函數(shù)實(shí)現(xiàn)琴庵，需要傳入一個(gè)C函數(shù)误算，這個(gè)函數(shù)至少有兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是id self一個(gè)是SEL _cmd迷殿，第四個(gè)參數(shù)是函數(shù)類型儿礼。具體設(shè)置方法可以看注釋。
第二次機(jī)會(huì): 備援接收者
當(dāng)對(duì)象所屬類不能動(dòng)態(tài)添加方法后庆寺，runtime就會(huì)詢問當(dāng)前的接受者是否有其他對(duì)象可以處理這個(gè)未知的selector蚊夫，相關(guān)方法聲明如下:
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;
該方法的參數(shù)就是那個(gè)未知的selector，這是一個(gè)實(shí)例方法懦尝，因?yàn)槭窃儐栐搶?shí)例對(duì)象是否有其他實(shí)例對(duì)象可以接收這個(gè)未知的selector知纷，如果沒有就返回nil壤圃，可以自行實(shí)驗(yàn)。
第三次機(jī)會(huì): 消息重定向
當(dāng)沒有備援接收者時(shí)琅轧，就只剩下最后一次機(jī)會(huì)埃唯，那就是消息重定向。這個(gè)時(shí)候runtime會(huì)將未知消息的所有細(xì)節(jié)都封裝為NSInvocation對(duì)象鹰晨，然后調(diào)用下述方法:
- (void)forwardInvocation: (NSInvocation*)invocation;
調(diào)用這個(gè)方法如果不能處理就會(huì)調(diào)用父類的相關(guān)方法墨叛，一直到NSObject的這個(gè)方法，如果NSObject都無法處理就會(huì)調(diào)用doesNotRecognizeSelector:方法拋出異常模蜡。
整個(gè)消息轉(zhuǎn)發(fā)流程如下圖所示:
總結(jié)
本文通過對(duì)runtime的分析漠趁，詳細(xì)解釋了整個(gè)發(fā)送消息和消息轉(zhuǎn)發(fā)的流程，對(duì)OC的runtime能有一個(gè)更清晰的掌握忍疾。
下一步
這兩篇文章分別介紹了runtime如何將面向?qū)ο蟮念愑成涞矫嫦蜻^程的結(jié)構(gòu)體以及runtime的消息發(fā)送和消息轉(zhuǎn)發(fā)流程闯传，下一篇文章將繼續(xù)介紹runtime對(duì)實(shí)例變量的處理。感興趣的讀者可以繼續(xù)學(xué)習(xí)下一篇文章從runtime開始: 理解OC的屬性property
備注
由于作者水平有限卤妒，難免出現(xiàn)紕漏甥绿，如有問題還請(qǐng)不吝賜教。
