Objective-C Runtime （一）：類與對象

Objective-C Runtime （一）：類與對象

Runtime介紹

Objective-C語言是一門動態語言，它將不少靜態語言在編譯和連接時期作的事放到了運行時來處理。這意味着它不只須要一個編譯器，也須要一個運行時系統來動態得建立類和對象、進行消息傳遞和轉發。這個運行時系統即Objc Runtime。Objc Runtime實際上是一個Runtime庫，它基本上是用C和彙編寫的，這個庫使得C語言有了面向對象的能力。

Runtime庫主要作下面幾件事：

1. 封裝：在這個庫中，對象能夠用C語言中的結構體表示，而方法能夠用C函數 來實現，另外再加上了一些額外的特性。這些結構體和函數被runtime函數封裝後，咱們就能夠在程序運行時建立，檢查，修改類、對象和它們的方法了。
2. 消息傳遞：當程序執行[object doSomething]時，會向消息接收者(object)發送一條消息(doSomething)，runtime會根據消息接收者是否能響應該消息而作出不一樣的反應。這將在後面詳細介紹。

在接下來的一系列文章中，我將介紹一下runtime的基本工做原理以及在咱們的代碼裏能夠用它來作什麼。在本文中，咱們先來了解一下類與對象。

類與對象基礎數據結構

###OC對象 OC的對象主要能夠分爲三種：

1. instance對象（實例對象）
2. class對象（類對象）
3. meta-class對象（元類對象）：主要存儲着isa指針，superclass指針，類的類方法的信息（class method）。

instance對象 它主要是經過類alloc出來的對象，每次調用alloc都會產生新的instance對象。

NSObjcet *object1 = [[NSObjcet alloc] init];
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instance對象在內存中存儲的信息包括:

1. isa指針
2. 成員變量

class對象 咱們經過class方法或runtime方法獲得一個class對象。class對象也就是類對象。==每個類在內存中有且只有一個class對象==。

Class objectClass1 = [NSObject class];
// runtime
Class objectClass2 = object_getClass(object1);
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class對象在內存中存儲的信息主要包括:

1. isa指針
2. superclass指針
3. 類的屬性信息（@property）
4. 類的成員變量信息（ivar）
5. 類的對象方法信息（instance method）
6. 類的協議信息（protocol）

meta-class對象 咱們經過runtime方法獲得一個class對象。==每一個類在內存中有且只有一個meta-class對象。==

//runtime中傳入類對象此時獲得的就是元類對象
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
// 判斷該對象是否爲元類對象
class_isMetaClass(objectMetaClass) 
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meta-class對象在內存中存儲的信息主要包括:

1. isa指針
2. superclass指針
3. 類的類方法的信息（class method）

咱們來看看下面的圖，來分析這三者的關係

從上圖中，咱們能夠分析出：

1. instance對象的isa指向class
2. class的isa指向meta-class
3. meta-class的isa指向基類的meta-class，基類的isa指向本身
4. class的superclass指向父類的class，若是沒有父類，superclass指針爲nil
5. meta-class的superclass指向父類的meta-class，基類的meta-class的superclass指向基類的class
6. instance對象調用對象方法的軌跡，isa找到class，方法不存在，就經過superclass找父類
7. class調用類方法的軌跡，isa找meta-class，方法不存在，就經過superclass找父類

###Class

Objective-C類是由Class類型來表示的，它其實是一個指向objc_class結構體的指針。在objc/objc.h它的定義以下：

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;
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在objc/runtime.h中咱們能夠看到結構體objc_class的定義以下：

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，默認爲0
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;// 類信息，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;// 協議鏈表
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;
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###1. name 類名

// 獲取類的類名
const char * class_getName ( Class cls );
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###2. isa 在Objective-C中，類自身也是一個對象，咱們稱之爲類對象，在這個類對象中，也有一個isa指針，它指向了metaClass(元類)。

###3. super_class 指向該類的父類，若是該類已是最頂層的根類(如NSObject或NSProxy)，則super_class爲nil。

###4. instance_size

// 獲取實例大小
size_t class_getInstanceSize ( Class cls );
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###5. objc_ivar_list 成員變量和屬性信息。ivars是一個數組，全部的成員變量、屬性的信息是放在鏈表ivars中的。

######獲取成員變量信息

// 獲取整個成員變量列表
Ivar * class_copyIvarList ( Class cls, unsigned int *outCount );
//獲取一個成員變量的名字
const char * _Nullable ivar_getName(Ivar _Nonnull v) 
//獲取一個成員變量的
const char * _Nullable ivar_getTypeEncoding(Ivar _Nonnull v) 
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• ivar_getTypeEncoding函數獲取的是變量的數據類型，詳細的說明能夠看蘋果官方文檔Type Encodings
• class_copyIvarList函數，它返回一個指向成員變量信息的數組。這個數組不包含在父類中聲明的變量。outCount指針返回數組的大小。須要注意的是，咱們必須使用free()來釋放這個數組。

######獲取成員變量屬性信息

/// An opaque type that represents an Objective-C declared property.
typedef struct objc_property *objc_property_t;
//獲取整個成員變量屬性列表
objc_property_t _Nonnull *_Nullable class_copyPropertyList(Class _Nullable cls, unsigned int * _Nullable outCount)

/// Defines a property attribute
typedef struct {
    const char * _Nonnull name;           /**< The name of the attribute */
    const char * _Nonnull value;          /**< The value of the attribute (usually empty) */
} objc_property_attribute_t;

objc_property_attribute_t * _Nullable property_copyAttributeList(objc_property_t _Nonnull property,unsigned int * _Nullable outCount)
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• objc_property_attribute_t實際上是對屬性的詳細描述，包括屬性名稱、屬性編碼類型、原子類型/非原子類型等。如T@"NSString",C,N,V_title，TQ,N,V_age。

下面詳細地說明property_getAttributes獲取到的屬性的語義：

• 第一：T老是第一個，它表明類型。 對於類類型，它都是T@類型，其中@表示對象類型；對於id類型，它就是@；而對於基本數據類型，它都是T加上編碼類型（@encode(type)），好比int類型就是Ti。
• 第二：表示屬性編碼類型，好比是C表示copy，&表示strong，W表示weak等。如果基本類型，它默認是assign，所以此時它是空的。
• 第三：指定是nonatomic仍是atomic，如果nonatomic，則用N表示，如果atomic，則值爲空。好比的count屬性的詳細描述爲：Ti,N,V_count，它表示int類型、nonatomic、成員變量名爲_count；tomicProperty屬性描述爲:T@NSNumber,&,V_atomicProperty，它表示類型爲NSNumber且爲對象類型、strong、atomic、成員變量名爲_atomicProperty。
• 第四：在詳細描述中，屬性名稱是V開頭，後面跟着成員變量名稱。

屬性的詳細說明Property Type

###6. methodLists 對象方法列表。

/// An opaque type that represents a method in a class definition.
typedef struct objc_method *Method;

struct objc_method {
    SEL method_name;        // 方法名稱
    char *method_typesE;    // 參數和返回類型的描述字串
    IMP method_imp;         // 方法的具體的實現的指針
}

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獲取method信息：

//方法列表
Method _Nonnull * _Nullable class_copyMethodList(Class _Nullable cls, unsigned int * _Nullable outCount) 
//方法名
SEL _Nonnull method_getName(Method _Nonnull m) 
//方法實現
IMP _Nonnull method_getImplementation(Method _Nonnull m) 
//方法參數和返回類型的信息
const char * _Nullable method_getTypeEncoding(Method _Nonnull m) 
//方法參數數量
unsigned int method_getNumberOfArguments(Method _Nonnull m)
//方法參數類型
char * _Nullable method_copyArgumentType(Method _Nonnull m, unsigned int index) 
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• method_getTypeEncoding獲取函數的編碼，其結果是一串值，如：v16@0:8；@16@0:8；v24@0:8@16。

這些字符串是什麼意思，經過蘋果官方文檔咱們能夠分析出:

1. 第一個位置是返回值類型，好比第一個方法返回值是V，第二個的是@，第三個的是v
2. 第二/三個位置是第一/二個參數，參數列表從左到右算。分別是@ :，@ :，@ :，都是對象，其實第一個和第二個參數是固定的，第一個是接收消息的對象，而第二個是方法選擇器SEL。
3. 若是還有其它參數，依次…
4. Type Encodings

###7. cache 用於緩存最近使用的方法。一個接收者對象接收到一個消息時，它會根據isa指針去查找可以響應這個消息的對象。在實際使用中，這個對象只有一部分方法是經常使用的，不少方法其實不多用或者根本用不上。這種狀況下，若是每次消息來時，咱們都是methodLists中遍歷一遍，性能勢必不好。這時，cache就派上用場了。在咱們每次調用過一個方法後，這個方法就會被緩存到cache列表中，下次調用的時候runtime就會優先去cache中查找，若是cache沒有，纔去methodLists中查找方法。這樣，對於那些常常用到的方法的調用，但提升了調用的效率。

參考：

1. tech.yunyingxbs.com/article/det…
2. developer.apple.com/library/con…