Objective-c runtime (一)
一 運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)相關(guān)特性
- 使用
Objective-C中的消息傳遞特性可以調(diào)用類和對(duì)象中的方法坏瞄。對(duì)象消息傳遞是一種動(dòng)態(tài)特性，既接收器和接收器中被調(diào)用的方法是在運(yùn)行時(shí)確定的。 -
消息傳遞表達(dá)式包含接收器（接受消息的對(duì)象/類）和消息秃踩，而消息又由選擇器和相應(yīng)的輸入?yún)?shù)構(gòu)成衷快。如圖。
- 選擇器是一種分段的文本字符串搔啊，每個(gè)分段以冒號(hào)結(jié)尾并且后跟參數(shù)柬祠。如上圖。
- 選擇器數(shù)據(jù)類型（SEL）是一種特殊的
Objective-C數(shù)據(jù)類型负芋，它用于在編譯源代碼時(shí)使用具有唯一性的標(biāo)志符替換選擇器漫蛔。使用@selector關(guān)鍵字或Foundation框架中的NSSelectorFromString()函數(shù)，可以創(chuàng)建類型為SEL的變量旧蛾。 - 使用動(dòng)態(tài)類型功能可以在運(yùn)行時(shí)決定對(duì)象的類型莽龟，因而能夠由運(yùn)行時(shí)因素決定在程序中使用哪種類型的對(duì)象，
Objective-C通過(guò)id數(shù)據(jù)類型支持動(dòng)態(tài)類型锨天。 - 使用動(dòng)態(tài)方法決議能夠以動(dòng)態(tài)方式實(shí)現(xiàn)方法毯盈。使用
Objective-C的@dynamic指令可以告知編譯器與某個(gè)屬性關(guān)聯(lián)的方法會(huì)以動(dòng)態(tài)方式實(shí)現(xiàn)。NSObject中含有resolveInstanceMethod:和resolveClassMethod:方法病袄，使用他們能夠以動(dòng)態(tài)方式分別實(shí)現(xiàn)由選擇器指定的實(shí)例和類方法搂赋。 -
Foundation框架中NSObject類的API含有非常多用于執(zhí)行對(duì)象內(nèi)省的方法。在運(yùn)行程序時(shí)益缠，這些API能夠以動(dòng)態(tài)方式查詢方法的信息脑奠。它們還可以測(cè)試方法的繼承性、行為和一致性左刽。
二 運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的組成部分
Objective-C 的運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)由兩個(gè)主要部分構(gòu)成：編譯器和運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)庫(kù)捺信。
編譯器
Objective-C語(yǔ)言中的面向?qū)ο笤睾蛣?dòng)態(tài)特性都是通過(guò)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。概括來(lái)講，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)由下列部分組成：
- 類元素（接口迄靠、實(shí)現(xiàn)代碼秒咨、協(xié)議、分類掌挚、方法雨席、屬性、實(shí)例變量）
- 類實(shí)例（對(duì)象）
- 對(duì)象消息傳遞（包括動(dòng)態(tài)類型和動(dòng)態(tài)綁定）
- 動(dòng)態(tài)方法決議
- 動(dòng)態(tài)加載
- 對(duì)象內(nèi)省
當(dāng)編譯器解析使用了這些語(yǔ)言元素和特性的Objective-C源代碼時(shí)吠式，它會(huì)使用適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行時(shí)系統(tǒng)庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)該語(yǔ)言特定行為的函數(shù)陡厘，生成可執(zhí)行代碼。例如
-
生成對(duì)象消息傳遞代碼
當(dāng)編譯解析對(duì)象消息時(shí)特占，如：
[obj show]
它會(huì)生成調(diào)用運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)庫(kù)中函數(shù)objc_msgSend()的代碼糙置。該函數(shù)將接收器、選擇器和消息傳遞的參數(shù)作為輸入?yún)?shù)是目。因此編譯器會(huì)將源代碼中的所有消息傳遞表達(dá)式轉(zhuǎn)換為調(diào)用運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)objc_msgSend()的代碼谤饭。
源文件1.m內(nèi)容如下：
#import <Foundation/Foundation.h>@interface MyClass:NSObject - (void)show; @end @implementation MyClass - (void)show{ NSLog(@"%@", @"show"); } @end int main(int argc, char *argv[]) { @autoreleasepool { MyClass *obj = [[MyClass alloc] init]; [obj show]; } }經(jīng)過(guò)
clang -rewrite-objc 1.m會(huì)得到編譯后的cpp文件，相關(guān)內(nèi)容如下：
-
**生成類和對(duì)象的代碼
當(dāng)編譯器解析含有類定義和對(duì)象的源代碼時(shí)懊纳，它會(huì)生成相應(yīng)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)揉抵。
Objective-C中的類與運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)中的Class數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)。Class是指向objc_class不透明數(shù)據(jù)類型的指針嗤疯。
typedef struct objc_class Class
Objective-C對(duì)形象與運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)中的objc_object數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)冤今。
struct objc_object
{
Class isa;
//含有實(shí)例變量的長(zhǎng)度可變數(shù)據(jù)
}
實(shí)際上所有的Objective-C對(duì)象的類和對(duì)象對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（objc_object和objc_class）都是以isa指針開(kāi)頭（對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的包含的第一個(gè)元素是isa）。
下面的實(shí)例程序可以驗(yàn)證茂缚。
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "LZPerson.h"
#import <objc/message.h>
#import <objc/runtime.h>
@interface LZDog: NSObject{
NSInteger _age;
}@end @implementation LZDog - (instancetype)initWithAge:(NSInteger) age{ self = [super init]; if (self) { _age = age; } return self; } @end int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { LZDog *dog1 = [[LZDog alloc] initWithAge:0x123456780a0b0c0d]; LZDog *dog2 = [[LZDog alloc] initWithAge:0xaabbccdd12345678]; //get the objec size NSInteger objcSize = class_getInstanceSize([LZDog class]); //打印對(duì)象的內(nèi)存數(shù)據(jù) NSData *dog1Data = [NSData dataWithBytes:(__bridge void*)dog1 length:objcSize]; NSData *dog2Data = [NSData dataWithBytes:(__bridge void*)dog2 length:objcSize]; //查看對(duì)象內(nèi)存 NSLog(@"dog1: %@", dog1Data); NSLog(@"dog2: %@", dog2Data); //打印類地址 NSLog(@"class address:%p", [LZDog class]); //查看類內(nèi)存 id dogClass = objc_getClass("LZDog"); NSInteger classSize = class_getInstanceSize([dogClass class]); NSData *classData = [NSData dataWithBytes:(__bridge void*)dogClass length:classSize]; NSLog(@"dogclass: %@", classData); //打印父類（NSobject）地址 NSLog(@"superclass address: %p", [LZDog superclass]); } return 0; }運(yùn)行結(jié)果如下：
2015-10-04 11:25:01.297 testRuntime01[1186:87309] dog1: <78240000 01000000 0d0c0b0a 78563412>
2015-10-04 11:25:01.298 testRuntime01[1186:87309] dog2: <78240000 01000000 78563412 ddccbbaa>
2015-10-04 11:25:01.298 testRuntime01[1186:87309] class address:0x100002478
2015-10-04 11:25:01.298 testRuntime01[1186:87309] dogclass: <a0240000 01000000 f0300c78 ff7f0000>
2015-10-04 11:25:01.298 testRuntime01[1186:87309] superclass address: 0x7fff780c30f0
分析結(jié)果如圖：
運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)庫(kù)
蘋(píng)果公司提供的Objective-C運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了Objective-C的面向?qū)ο筇匦院蛣?dòng)態(tài)屬性戏罢。我們可以在代碼中直接運(yùn)用運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)提供的API。下面代碼實(shí)例展示了如何在代碼中使用運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)API阱佛。
import <Foundation/Foundation.h>
import "LZPerson.h"
import <objc/message.h>
import <objc/runtime.h>
/*
1. 動(dòng)態(tài)創(chuàng)建一個(gè)類 LZStudent(繼承自NSObject)
2. 動(dòng)態(tài)添加實(shí)例變量 name
3. 動(dòng)態(tài)添加成員方法 show
*/
static void show(id self, SEL _cmd){
NSLog(@"show");
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
//創(chuàng)建一個(gè)類帖汞，繼承自NSobject
Class LZStudent = objc_allocateClassPair([NSObject class], "LZStudent", 0);
BOOL isOk;
//向該類添加一個(gè)實(shí)例變量 NSString *_name
isOk = class_addIvar(LZStudent, "_name", sizeof(NSString *), log2(sizeof(id)), @encode(NSString));
if (!isOk) {
NSLog(@"addivar fail");
}
//想該類添加一個(gè)實(shí)例方法戴而。
isOk = class_addMethod(LZStudent, NSSelectorFromString(@"show"), (IMP)show, "v@:");
if (!isOk) {
NSLog(@"addMethod fail");
}
objc_registerClassPair(LZStudent);
unsigned int count ;
Ivar *arr = class_copyIvarList(LZStudent, &count);
//打印類變量的個(gè)數(shù)
NSLog(@"variable count: %u", count);
//打印變量的名字和類型
for (NSInteger i = 0; i < count; i ++) {
const char* ivarName = ivar_getName(arr[i]);
const char* ivarType = ivar_getTypeEncoding(arr[i]);
NSLog(@"name: %s, type: %s", ivarName, ivarType);
}
id obj = [[LZStudent alloc] init];
[obj performSelector:NSSelectorFromString(@"show")];
}
return 0;
}
運(yùn)行結(jié)果如下
2015-10-04 15:25:19.057 testRuntime01[1537:152205] variable count: 1
2015-10-04 15:25:19.058 testRuntime01[1537:152205] name: _name, type: {NSString=#}
2015-10-04 15:25:19.058 testRuntime01[1537:152205] show
運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)庫(kù)數(shù)據(jù)類型和函數(shù)為運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)庫(kù)提供了實(shí)現(xiàn)各種Objective-C特性（如消息傳遞）所必須的數(shù)據(jù)類型核函數(shù)凑术。如圖
當(dāng)程序想對(duì)象發(fā)送消息時(shí)，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)會(huì)通過(guò)自定義代碼中的類方法緩存和虛函數(shù)表所意，查找類的實(shí)例方法淮逊。為了找到相應(yīng)的方法運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)會(huì)搜索整個(gè)類的層次結(jié)構(gòu)，找到方法后扶踊，它就會(huì)執(zhí)行方法的實(shí)現(xiàn)代碼泄鹏。運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)庫(kù)含有非常多用于實(shí)現(xiàn)消息傳遞的設(shè)計(jì)機(jī)制。下面分別介紹這幾個(gè)機(jī)制：
-
通過(guò)虛函數(shù)表查找方法
運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)定義了一種方法數(shù)據(jù)類型（objc_method）代碼如下
struct objc_method
{
SEL method_name;
char *method_type;
IMP method_imp;
}
typedef struct objc_method Method;
因?yàn)樵趫?zhí)行程序的過(guò)程中調(diào)用方法的操作可能執(zhí)行數(shù)百萬(wàn)次秧耗，所以運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)使用了一種快速高效的方法查詢和調(diào)用機(jī)制备籽。虛函數(shù)表是運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)使用的動(dòng)態(tài)綁定的支持機(jī)制。Objective-C運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種自定義的虛函數(shù)分派機(jī)制，專門用于最大限度的提高性能和靈活性车猬。
虛函數(shù)表是一個(gè)用于存儲(chǔ)IMP（Objective-C方法的實(shí)現(xiàn)代碼）的數(shù)據(jù)數(shù)組霉猛。每個(gè)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)類實(shí)例（obcj_class）都有一個(gè)紙向虛函數(shù)表的指針。
每個(gè)尅實(shí)例還擁有最近調(diào)用過(guò)方法的指針緩存珠闰。運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)庫(kù)先搜索緩存惜浅，如果沒(méi)找到，再去虛函數(shù)表去查找伏嗜，如果在虛函數(shù)表找到了就將IMP存儲(chǔ)到緩存中備用坛悉。 -
消息分派
當(dāng)我們向?qū)ο蟀l(fā)送消息時(shí)比如[obj message ]，編譯器會(huì)根據(jù)對(duì)象找到對(duì)應(yīng)的類承绸，然后從類(及其父類)的緩存和虛函數(shù)表（參考1）中查找裸影，并將其轉(zhuǎn)換為一條標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言函數(shù)調(diào)用objc_msgSend()（）。如果沒(méi)有找到符合的方法军熏，那就執(zhí)行消息轉(zhuǎn)發(fā)空民。
消息轉(zhuǎn)發(fā)分為兩大階段。第一階段先征詢接受者所屬的類羞迷，看其能否動(dòng)態(tài)添加方法界轩，這叫做動(dòng)態(tài)方法決議(resolveInstanceMethod:)。如果我們沒(méi)有動(dòng)態(tài)的添加方法實(shí)現(xiàn)那么熱就會(huì)進(jìn)入第二階段衔瓮。首先運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)請(qǐng)接受著看看能否將消息轉(zhuǎn)發(fā)給其他的對(duì)象浊猾，如能則該消息有其他對(duì)象處理。這成為快速轉(zhuǎn)發(fā)（forwardingTargetForSelector:）热鞍。如果沒(méi)有合適的對(duì)象處理消息葫慎，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)會(huì)把與消息有關(guān)的全部細(xì)節(jié)都封裝到NSInvocation中，再給接受者最后一次機(jī)會(huì)薇宠。整個(gè)過(guò)程如圖所示偷办。
示例代碼 -
訪問(wèn)類實(shí)例方法
當(dāng)我們向類發(fā)送消息時(shí)，如[NSobject alloc]澄港，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)是通過(guò)元類實(shí)現(xiàn)的椒涯。
元類是一種特殊的類對(duì)象，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)使用其中含有的信息能夠找到并調(diào)用類方法回梧。每個(gè)類都有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的元類废岂，元類中存放著類的類方法列表（類的實(shí)例方法存放在類里，類方法列表存放在元類那里）狱意。
Objective-C的對(duì)象的isa指針指向類湖苞，類的isa指向元類。
綜上所述運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)通過(guò)下列方式對(duì)實(shí)例和類方法執(zhí)行消息傳遞操作详囤。- 當(dāng)向?qū)ο蟀l(fā)送消息時(shí)财骨，會(huì)通過(guò)類的緩存和虛函數(shù)表，獲得相應(yīng)的方法次慢。
- 當(dāng)向類發(fā)送消息時(shí)重窟， 會(huì)通過(guò)元類的緩存和虛函數(shù)表朗徊，獲得相應(yīng)的方法报慕。
