Runtime簡介

運行時最主要的是消息機制

• 對于C語言彰触，函數(shù)調(diào)用在編譯的時候會決定調(diào)用哪個函數(shù)
• 對于OC函數(shù)命辖，屬于 動態(tài)調(diào)用過程，在編譯的時候并不能決定真正調(diào)用哪個函數(shù)尔艇，只有在真正運行的時候才會根據(jù)函數(shù)的名稱找到對應的函數(shù)來調(diào)用，
• 在編譯階段味廊，oc可以調(diào)用任何函數(shù)棠耕，即使這個函數(shù)并未實現(xiàn)余佛，只要聲明過就不會報錯
  在編譯階段窍荧，C語言調(diào)用未實現(xiàn)的函數(shù)就會報錯
• 如果向某個對象傳遞消息，在底層所有的方法都是普通的C語言函數(shù)红氯，然而對象收到消息之后，究竟該調(diào)用哪個方法則完全取決于運行期決定，甚至可能在運行期改變喇嘱，這些特性使得OC變成一門真正的動態(tài)語言
• 在Runtime中，對象可以使用C語言中的結(jié)構(gòu)體表示腔丧，而方法可以用C函數(shù)實現(xiàn)作烟，另外在加上了額外的特性愉粤，這些結(jié)構(gòu)體和函數(shù)被Runtime函數(shù)封裝后拿撩，讓OC的面向?qū)ο缶幊套優(yōu)榭赡?/li>

Objective-C中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1.id

運行時系統(tǒng)如何知道某個對象的類型呢？對象類型并不是在編譯期就知道了影暴，而是要在運行期查找，OC有個特殊類型id,它可以表示OC的任意對象類型型宙，id類型定義在Runtime的頭文件中：

struct obje_object {
          Class isa;
} *id;

由此可見，每個對象結(jié)構(gòu)體的首個成員變量是Class類的isa妆兑，該變量定義了對象所屬的類，通常指isa指針

objc_object

objc_object 是一個表示一個類實例的結(jié)構(gòu)體芯勘，它的定義如下（objc/objc.h）:

struct objc_object{
           Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
typedef struce objc_object *id;

可以看到谱姓，這個結(jié)構(gòu)體只有一個實體借尿，基指向其類的isa指針屉来。這樣，當我們向一個OC對象發(fā)送消息時茂契，運行時庫會根據(jù)實例對象的isa指針找到這個實例對象所屬的類，Runtime庫會在類的方法列表以及父類的方法列表中尋找與消息對應的selector指向的方法掉冶，找到后即運行這個方法脐雪。

2.Class

Class對象也定義在Runtime的頭文件中，查看objc/runtime.h中的objc_class結(jié)構(gòu)體：Objective-c中战秋，類是由Class類型來表示的，它實際是一個指向objc_class結(jié)構(gòu)體的指針脂信。

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;// 父類
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE; // 類名
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;//類的版本信息，默認為0
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;//類信息疯搅，供運行期使用的一些位標識
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;// 該類的實例變量大小
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;// 該類的成員變量鏈表
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;//方法定義的鏈表
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;//方法緩存
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;//協(xié)議鏈表
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

下面說下Class 結(jié)構(gòu)體的幾個主要變量：
1.isa:結(jié)構(gòu)體的首個變量也是isa指針埋泵，這說明Class本身也是OC中的對象。isa指針非常重要，對象需要通過isa指針找到它的類规阀，類需要isa找到元類瘦麸，這在調(diào)用實例方法和類方法的時候起到重要作用谁撼。
2.super_class:結(jié)構(gòu)體里還有個變量是super_class,它定義了本類的超類滋饲。類對象所屬類型（isa指針所指向的類型）是另一個類，叫做元類箍鼓。
3.ivars:成員變量列表，類的成員都在ivars里面款咖。
4.methodLists:方法列表奄喂，類的實例方法都在methodLists里铐殃，類方法在元類的methodLists里面跨新。methodLists是一個指針的指針，通過修改該指針指向指針的值赘被，就可以動態(tài)的為某一個類添加成員方法肖揣。這就是Category實現(xiàn)的原理民假，同時也說明Category只可以為對象添加成員方法龙优，不能添加成員變量。
5.cache:方法緩存列表陋率，objc_msgSend(下文詳解)每調(diào)用一次方法后，就會把該方法緩存到cache列表中瓦糟，下次調(diào)用的時候赴蝇，會優(yōu)先從cache列表中尋找菩浙，如果cache沒有，才從methodLists中查找方法陆淀，提高效率先嬉。

元類（Meta Class）

meta-class 是一個類對象的類轧苫。在上面我們提到疫蔓，所有的類自身也是一個對象，我們可以向這個對象發(fā)送消息（即調(diào)用類方法）岔乔。既然是對象，那么它也是一個objc_object指針雏门，它包含一個指向其類的一個isa指針掸掏，那么，這個isa指針指向什么呢阅束？為了調(diào)用類方法，這個類的isa指針必須指向一個包含這個類方法的一個objc_class結(jié)構(gòu)體息裸。這就引出了meta-class的概念，meta-class中存儲著一個類的所有類方法年扩。所以，調(diào)用類方法的這個類對象的isa指針指向的就是meta-class 當我們向一個對象發(fā)送消息時厨幻，runtime會在這個對象所屬的這個類的方法列表中查找方法腿时；而向一個類發(fā)送消息時，會在這個類的meta-class的方法列表中查找批糟。

再深入一下，meta-class 也是一個類徽鼎，也可以向它發(fā)送一個消息弹惦，那么它的isa又是指向什么呢悄但？為了不讓這種結(jié)構(gòu)無限延伸下去，Objective-C的設計者讓所有的meta-class的isa指向基類的meta-class,以此作為他們的所屬類檐嚣。

即，任何NSObject繼承體系下的meta-class都使用NSObject的meta-class作為自己的所屬類报咳，而基類的meta-class的isa指針是指向它自己挖藏。

通過上面的描述暑刃，再加上對objc_class結(jié)構(gòu)體中super_class指針的分析，我們就可以描繪出類及相應meta-class類的一個繼承體系了岩臣，如下代碼

image.png

上圖 superclass指針代表繼承關系宵膨，isa指針代表實例所屬的類。類也是一個對象辟躏，它是另一個類的實例，這個就是”元類“会涎，元類里面保存了類方法的列表，類里面保存了實例方法的列表末秃。實例對象的isa指向類籽御，類對象的isa指向元類，元類對象的isa指向一個根元類(root metaclass)技掏。所有子類的元類都繼承父類的元類，換而言之哑梳，類對象和元類對象有同樣的繼承關系。

Class是一個指向objc_class結(jié)構(gòu)體的指針哪工，而id是一個指向objc_object結(jié)構(gòu)體的指針，其中的isa是一個指向objc_class結(jié)構(gòu)體的指針雁比。其中的id就是我們說的對象撤嫩，Class就是我們所說的類。isa指針不總是指向?qū)嵗龑ο笏鶎俚念愋蛉粒荒芤揽克鼇泶_定類型，而是應該用isKindOfClass:方法來確定實例對象的類程奠。因為KVO的實現(xiàn)機制就是將被觀察對象的isa指針指向一個中間類而不是真實的類。

Category

Category是表示一個指向分類的結(jié)構(gòu)體的指針己沛，其定義如下：

/// An opaque type that represents a category.
typedef struct objc_category *Category;
struct objc_category {
    char * _Nonnull category_name                            OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nonnull class_name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable instance_methods     OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable class_methods        OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
}  

這個結(jié)構(gòu)體主要包含了分類定義的實例方法與類方法距境，其中instance_methods列表是objc_class中方法列表的一個子集，而class_methods列表是元類方法列表的一個子集垫桂。可發(fā)現(xiàn)诬滩，類別中沒有ivar成員變量指針，也就意味著：類別中不能夠添加實例變量和屬性

struct objc_ivar_list *ivars             OBJC2_UNAVAILABLE;  // 該類的成員變量鏈表

3.SEL

• 方法交換（method swizzing）
  在Objctive-C中蒙挑，對象收到消息后愚臀，究竟會調(diào)用哪種方法需要在運行期才能解析出來忆蚀。查找消息的唯一依據(jù)是選擇子（selector）,選擇子（selector）與相應的方法（IMP）對應姑裂，利用Objective-C的動態(tài)特性，可以實現(xiàn)在運行時偷換選擇子（selector）對應的方法實現(xiàn)欣鳖，這就是方法交換 （method swizzing）.
  每個類都有一個方法列表茴厉，存放著selector的名字和方法實現(xiàn)的映射關系泽台。IMP有點類似函數(shù)指針，指向具體的Method實現(xiàn)稻爬。

  
  
  類的方法列表會把每個選擇子都映射到相關的IMP之上
  
  
  image.png

我們可以新增選擇子蜕依，也可以改變某個選擇子所對應的IMP，還可以交換兩個選擇子所映射到的指針样眠。

• Objective-C中提供了三種API來動態(tài)替換類方法或?qū)嵗椒ǖ膶崿F(xiàn)：
  1.class_replaceMethod替換類方法的定義。

class_replaceMethod(Class cls,SEL name,IMP imp,const char *types)

2.method_exchangeImplementations交換兩個方法的實現(xiàn)辫秧。

method_exchangeImplementations(Method m1,Method m2)

3.method_setImplementation設置一個方法的實現(xiàn)

method_setImplementation(Method m,IMP imp)

先說這三個方法的區(qū)別：

• class_replaceMethod:當類中沒有想替換的原方法時厢塘，該方法調(diào)用class_addMethod來為類增加一個新方法茶没，也正因如此晚碾，class_replaceMethod在調(diào)用時需傳入types參數(shù)，而其余兩個缺不需要笛求。
• method_exchangeImplementations: 內(nèi)部實現(xiàn)就是調(diào)用了兩次method_setImplemetation方法糕簿。

再來看看他們的使用場景：

+ (void)load
{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{

        SEL originalSelector = @selector(willMoveToSuperview:);
        SEL swizzledSelector = @selector(myWillMoveToSuperview:);

        Method originalMethod = class_getInstanceMethod(self, originalSelector);
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(self, swizzledSelector);
        
        BOOL didAddMethod = class_addMethod(self, 
                                            originalSelector,
                                            method_getImplementation(swizzledMethod),
                                            method_getTypeEncoding(swizzledMethod));

        if (didAddMethod) {
            class_replaceMethod(self, 
                                swizzledSelector, 
                                method_getImplementation(originalMethod),
                                method_getTypeEncoding(originalMethod));
        } else {
            method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
        }
    });
}

- (void)myWillMoveToSuperview:(UIView *)newSuperview
{
    NSLog(@"WillMoveToSuperview: %@", self); 
    [self myWillMoveToSuperview:newSuperview];
}

總結(jié)

class_replaceMethod,當需要替換的方法有可能不存在是，可以考慮使用該方法懂诗。
method_exchangeImplementations，當需要交換兩個方法時使用
method_setImplementation是最簡單的用法植旧，當僅僅需要為一個方法設置其實現(xiàn)方式時實現(xiàn)。

4.Ivar

ivar 代表類中實例變量的類型病附，在Runtime的頭文件中的定義如下：
typedef struct objc_ivar *Ivar;
objc_ivar的定義如下：

struct objc_ivar {
    char * _Nullable ivar_name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nullable ivar_type                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    int ivar_offset                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}

class_copyIvarList(Class cls,unsigned int *outCount)可以使用這個方法獲取某個類的成員變量列表

5.objc_property_t

objc_property_t是屬性亥鬓，在Runtime的頭文件中的定義如下：
typedef struct objc_property *objc_property_t;
class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount) 可以使用這個方法獲取某個類的屬性列表。

Runtime原理探究