Objective-C 方法交換實踐（一） - 基礎知識

1、Objective-C 中的基本類型

首先看下 Objective-C 的對象模型，每一個 Objective-C 對象都是一個指向 Class 的指針。Class 的結構以下：

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

這個結構已經有不少的說明了，下面簡單的再描述下

1. 變量列表

變量 Ivar 也是一個結構體，每一個 Class 中用變長結構體的方式存儲了 Class 的變量列表。 IVar 的定義以下，包含 名稱、類型、偏移、佔用空間。

typedef struct objc_ivar *Ivar;

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
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

這個變長結構體定義以下：

struct objc_ivar_list {
    int ivar_count                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_ivar ivar_list[1]                            OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

2. 方法列表

每一個方法 Method 的定義以下，包含 SEL 指向對外的命名，char * 型 的方法類型， IMP 方法指針，指向具體的函數實現。

typedef struct objc_method *Method;

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nullable method_types                            OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP _Nonnull method_imp                                  OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

一樣一個變長結構體來存儲方法列表。Class 中的這個列表是個2級指針，因此能夠向 Class 中動態的添加方法。

struct objc_method_list {
    struct objc_method_list * _Nullable obsolete             OBJC2_UNAVAILABLE;

    int method_count                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_method method_list[1]                        OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

3. 緩存

一樣一個變長結構體存儲以前找到的 Method。

1）、mask：能夠認爲是當前能達到的最大index（從0開始的），因此緩存的size（total）是mask+1；
2)、occupied：被佔用的槽位，由於緩存是以散列表的形式存在的，因此會有空槽，而occupied表示當前被佔用的數目。

他是經過 要查找的 Method 的 SEL 地址和 mask 作一系列運算來肯定 Method 的存儲與查找位置。更詳細的說明能夠看參考4。其中提到的幾點也在說下：
子類的 cache 會存儲在父類中找到的方法；cache 的大小會動態增長，可是增長以前必定會先清空本身（變長結構體的特性）。

typedef struct objc_cache *Cache                             OBJC2_UNAVAILABLE;

#define CACHE_BUCKET_NAME(B)  ((B)->method_name)
#define CACHE_BUCKET_IMP(B)   ((B)->method_imp)
#define CACHE_BUCKET_VALID(B) (B)
#ifndef __LP64__
#define CACHE_HASH(sel, mask) (((uintptr_t)(sel)>>2) & (mask))
#else
#define CACHE_HASH(sel, mask) (((unsigned int)((uintptr_t)(sel)>>3)) & (mask))
#endif
struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    unsigned int occupied                                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    Method _Nullable buckets[1]                              OBJC2_UNAVAILABLE;
};

4. 協議

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;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;


struct objc_protocol_list {
    struct objc_protocol_list * _Nullable next;
    long count;
    __unsafe_unretained Protocol * _Nullable list[1];
};

5. isa 和 superClass

看一張經典的圖：

isa 代表當前對象所屬於的 Class 類型（Class 也是一個對象，Class 的類型叫 MetaClass）。
superClass 代表當前對象從哪一個父類派生出來的，根類型(好比 NSObject、NSProxy)的 superClass 是 nil。
向對象發送消息時，會去方法列表裏面查詢，找不到會去父類的方法列表，再找不到會進入動態添加、消息轉發、消息包裝的過程。向 Class 發送消息時，會去 MetaClass 走一樣的過程。

2、self 和 super

1. self 是類的隱藏的參數,指向當前調用方法的類

2. super 是一個"編譯器指示符", 是一個標記，告訴編譯器起始於當前類的父類方法列表中搜索方法的實現。

看一個例子

@A
- (void)show{
}

- (void)log {
    NSLog(@"i am a");
}

- (void)print {
    NSLog(@"i am %@",[self class]);
}

@end

@B: A

- (void)show
{
    [self/super log];
    [self/super print];
}

- (void)log {
    NSLog(@"i am b");
}

- (void)print {
    NSLog(@"i am %@",[self class]);
}

@end

@ C: B
- (void)log {
    NSLog(@"i am c");
}

@end

在 B 的show 方法中分別改爲 self 和 super，以下調用會輸出什麼？

C *c = [[C alloc] init];
[c show];

結果是 self 的時候 輸出

i am c
i am C

super 的時候輸出

i am a
i am C

用 self 調用方法，會編譯成 objc_msgSend 方法，其定義以下：

void objc_msgSend(void /* id self, SEL op, ... */ )

第一個參數是消息接收者，也就是對象自己，第二個參數是調用的具體類方法的 selector。這裏有個隱藏參數 _cmd，表明當前類方法的selector。

用super 調用方法，會編譯成 objc_msgSendSuper 方法，其定義以下：

void objc_msgSendSuper(void /* struct objc_super *super, SEL op, ... */ )

其中 objc_super  的定義以下：

/// Specifies the superclass of an instance. 
struct objc_super {
    /// Specifies an instance of a class.
    __unsafe_unretained _Nonnull id receiver;

    /// Specifies the particular superclass of the instance to message. 
#if !defined(__cplusplus)  &&  !__OBJC2__
    /* For compatibility with old objc-runtime.h header */
    __unsafe_unretained _Nonnull Class class;
#else
    __unsafe_unretained _Nonnull Class super_class;
#endif
    /* super_class is the first class to search */
};

3、消息轉發

當向一個類的實例發送方法時，會去 Class 結構的方法緩存列表 objc_cache  和 方法列表 objc_method_list  中查找有沒有這個方法，若是沒有的話，則會進入消息轉發階段。
消息轉發主要分爲兩大階段：

1. 動態方法解析：看對象所屬類是否能動態添加方法

2. 轉發階段：既然第一步已經不會新增方法來響應，那系統就會請接受者看看有沒有其餘對象響應這個消息；若是沒有，就把消息封裝到 NSInvocation中，再作一次嘗試。

參考：
1.http://www.sealiesoftware.com/blog/archive/2013/09/24/objc_explain_Non-pointer_isa.html
2.http://time-track.cn/variable-length-structure.html
3.https://tech.meituan.com/DiveIntoMethodCache.html
4.http://blog.csdn.net/datacloud/article/details/7275170
5.http://blog.csdn.net/wzzvictory/article/details/8487111