iOS開發·runtime原理與實踐: 基本知識篇

摘要：這篇文章首先介紹runtime原理，包括類，超類，元類，super_class，isa，對象，方法，SEL，IMP等概念，同時分別介紹與這些概念有關的API。接着介紹方法調用流程，以及尋找IMP的過程。而後，介紹一下這些API的常見用法，並介紹runtime的冷門知識。最後介紹一下runtime的實戰指南。

 

1. 運行時

1.1 基本概念: 運行時

Runtime 的概念

Runtime 又叫運行時，是一套底層的 C 語言 API，其爲 iOS 內部的核心之一，咱們平時編寫的 OC 代碼，底層都是基於它來實現的。好比：

以上你可能看不出它的價值，可是咱們須要瞭解的是 Objective-C 是一門動態語言，它會將一些工做放在代碼運行時才處理而並不是編譯時。也就是說，有不少類和成員變量在咱們編譯的時是不知道的，而在運行時，咱們所編寫的代碼會轉換成完整的肯定的代碼運行。

所以，編譯器是不夠的，咱們還須要一個運行時系統(Runtime system)來處理編譯後的代碼。Runtime 基本是用 C 和彙編寫的，因而可知蘋果爲了動態系統的高效而作出的努力。蘋果和 GNU 各自維護一個開源的 Runtime 版本，這兩個版本之間都在努力保持一致。

Runtime 的做用

Objc 在三種層面上與 Runtime 系統進行交互：

經過 Objective-C 源代碼

經過 Foundation 框架的 NSObject 類定義的方法

經過對 Runtime 庫函數的直接調用

1.2 各類基本概念的C表達

在 Objective-C 中，類、對象和方法都是一個 C 的結構體，從  objc/objc.h（對象，objc_object，id）以及objc/runtime.h（其它，類，方法，方法列表，變量列表，屬性列表等相關的）以及中，咱們能夠找到他們的定義。

① 類

類對象(Class)是由程序員定義並在運行時由編譯器建立的，它沒有本身的實例變量，這裏須要注意的是類的成員變量和實例方法列表是屬於實例對象的，但其存儲於類對象當中的。咱們在objc/objc.h下看看Class的定義:

Class

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能夠看到類是由Class類型來表示的，它是一個objc_class結構類型的指針。咱們接着來看objc_class結構體的定義:

objc_class

參數解析

isa指針是和Class同類型的objc_class結構指針，類對象的指針指向其所屬的類，即元類。元類中存儲着類對象的類方法，當訪問某個類的類方法時會經過該isa指針從元類中尋找方法對應的函數指針。

super_class指針指向該類所繼承的父類對象，若是該類已是最頂層的根類(如NSObject或NSProxy), 則 super_class爲NULL。

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。

version：咱們可使用這個字段來提供類的版本信息。這對於對象的序列化很是有用，它但是讓咱們識別出不一樣類定義版本中實例變量佈局的改變。

protocols：固然能夠看出這一個objc_protocol_list的指針。關於objc_protocol_list的結構體構成後面會講。

獲取類的類名

實例對象是咱們對類對象alloc或者new操做時所建立的，在這個過程當中會拷貝實例所屬的類的成員變量，但並不拷貝類定義的方法。調用實例方法時，系統會根據實例的isa指針去類的方法列表及父類的方法列表中尋找與消息對應的selector指向的方法。一樣的，咱們也來看下其定義:

objc_object

能夠看到，這個結構體只有一個isa變量，指向實例對象所屬的類。任何帶有以指針開始並指向類結構的結構均可以被視做objc_object, 對象最重要的特色是能夠給其發送消息。 NSObject類的alloc和allocWithZone:方法使用函數class_createInstance來建立objc_object數據結構。

另外咱們常見的id類型，它是一個objc_object結構類型的指針。該類型的對象能夠轉換爲任何一種對象，相似於C語言中void *指針類型的做用。其定義以下所示:

id

元類(Metaclass)就是類對象的類，每一個類都有本身的元類，也就是objc_class結構體裏面isa指針所指向的類. Objective-C的類方法是使用元類的根本緣由，由於其中存儲着對應的類對象調用的方法即類方法。

當向對象發消息，runtime會在這個對象所屬類方法列表中查找發送消息對應的方法，但當向類發送消息時，runtime就會在這個類的meta class方法列表裏查找。全部的meta class，包括Root class，Superclass，Subclass的isa都指向Root class的meta class，這樣可以造成一個閉環。

 

因此由上圖能夠看到，在給實例對象或類對象發送消息時，尋找方法列表的規則爲:

當發送消息給實例對象時，消息是在尋找這個對象的類的方法列表(實例方法)

當發送消息給類對象時，消息是在尋找這個類的元類的方法列表(類方法)

元類，就像以前的類同樣，它也是一個對象，也能夠調用它的方法。因此這就意味着它必須也有一個類。全部的元類都使用根元類做爲他們的類。好比全部NSObject的子類的元類都會以NSObject的元類做爲他們的類。

根據這個規則，全部的元類使用根元類做爲他們的類，根元類的元類則就是它本身。也就是說基類的元類的isa指針指向他本身。

操做函數

super_class和meta-class

 

在Objective-C中，屬性(property)和成員變量是不一樣的。那麼，屬性的本質是什麼？它和成員變量之間有什麼區別？簡單來講屬性是添加了存取方法的成員變量，也就是:

@property = ivar + getter + setter;

所以，咱們每定義一個@property都會添加對應的ivar, getter和setter到類結構體objc_class中。具體來講，系統會在objc_ivar_list中添加一個成員變量的描述，而後在methodLists中分別添加setter和getter方法的描述。下面的objc_property_t是聲明的屬性的類型，是一個指向objc_property結構體的指針。

用法舉例

另外，關於屬性有一個objc_property_attribute_t結構體列表，objc_property_attribute_t結構體包含name和value

objc_property_attribute_t

經常使用的屬性以下：

屬性類型 name值：T value：變化

編碼類型 name值：C(copy) &(strong) W(weak)空(assign) 等 value：無

非/原子性 name值：空(atomic) N(Nonatomic) value：無

變量名稱 name值：V value：變化

例如

⑤ 成員變量

Ivar: 實例變量類型，是一個指向objc_ivar結構體的

指針

Ivar

在objc_class中，全部的成員變量、屬性的信息是放在鏈表ivars中的。ivars是一個數組，數組中每一個元素是指向Ivar(變量信息)的指針。

objc_ivar_list

 

其中，

方法名類型爲 SEL

方法類型 method_types 是個 char 指針，存儲方法的參數類型和返回值類型

method_imp 指向了方法的實現，本質是一個函數指針

簡言之，Method = SEL + IMP + method_types，至關於在SEL和IMP之間創建了一個映射。

操做函數

 

 

在源碼中沒有直接找到 objc_selector 的定義，從一些書籍上與 Blog 上看到能夠將 SEL 理解爲一個 char* 指針。

具體這 objc_selector 結構體是什麼取決與使用GNU的仍是Apple的運行時， 在Mac OS X中SEL其實被映射爲一個C字符串，能夠看做是方法的名字，它並不一個指向具體方法實現（IMP類型纔是）。

對於全部的類，只要方法名是相同的，產生的selector都是同樣的。

操做函數

實際上就是一個函數指針，指向方法實現的首地址。經過取得 IMP，咱們能夠跳過 runtime 的消息傳遞機制，直接執行 IMP指向的函數實現，這樣省去了 runtime 消息傳遞過程當中所作的一系列查找操做，會比直接向對象發送消息高效一些，固然必須說明的是，這種方式只適用於極特殊的優化場景，如效率敏感的場景下大量循環的調用某方法。

操做函數

上面提到了objc_class結構體中的cache字段，它用於緩存調用過的方法。這個字段是一個指向objc_cache結構體的指針，其定義以下：

Cache

 

該結構體的字段描述以下：

mask：一個整數，指定分配的緩存bucket的總數。在方法查找過程當中，Objective-C runtime使用這個字段來肯定開始線性查找數組的索引位置。指向方法selector的指針與該字段作一個AND位操做(index = (mask & selector))。這能夠做爲一個簡單的hash散列算法。

occupied：一個整數，指定實際佔用的緩存bucket的總數。

buckets：指向Method數據結構指針的數組。這個數組可能包含不超過mask+1個元素。須要注意的是，指針多是NULL，表示這個緩存bucket沒有被佔用，另外被佔用的bucket多是不連續的。這個數組可能會隨着時間而增加。

⑪ 協議鏈表

前面objc_class的結構體中有個協議鏈表的參數，協議鏈表用來存儲聲明遵照的正式協議

objc_protocol_list

 

2. 方法調用流程

objc_msgSend() Tour 系列文章經過對 objc_msgSend 的彙編源碼分析，總結出如下流程：

2.1 方法調用流程

檢查 selector 是否須要忽略

檢查 target 是否爲 nil，若是是 nil 就直接 cleanup，而後 return

在 target 的 Class 中根據 selector 去找 IMP

2.2 尋找 IMP 的過程:

在當前 class 的方法緩存裏尋找（cache methodLists）

找到了跳到對應的方法實現，沒找到繼續往下執行

從當前 class 的 方法列表裏查找（methodLists），找到了添加到緩存列表裏，而後跳轉到對應的方法實現；沒找到繼續往下執行

從 superClass 的緩存列表和方法列表裏查找，直到找到基類爲止

以上步驟還找不到 IMP，則進入消息動態處理和消息轉發流程，詳見請關注微信公衆號：程序員大牛！

咱們能在  objc4官方源碼 中找到上述尋找 IMP 的過程，具體對應的代碼以下：

objc-class.mm

3. 運行時相關的API

3.1 經過 Foundation 框架的 NSObject 類定義的方法

Cocoa 程序中絕大部分類都是 NSObject 類的子類，因此都繼承了 NSObject 的行爲。(NSProxy 類時個例外，它是個抽象超類)

一些狀況下，NSObject 類僅僅定義了完成某件事情的模板，並無提供所須要的代碼。例如 -description 方法，該方法返回類內容的字符串表示，該方法主要用來調試程序。NSObject 類並不知道子類的內容，因此它只是返回類的名字和對象的地址，NSObject 的子類能夠從新實現。

還有一些 NSObject 的方法能夠從 Runtime 系統中獲取信息，容許對象進行自我檢查。例如：

-class方法返回對象的類；

-isKindOfClass: 和 -isMemberOfClass: 方法檢查對象是否存在於指定的類的繼承體系中(是不是其子類或者父類或者當前類的成員變量)；

-respondsToSelector: 檢查對象可否響應指定的消息；

-conformsToProtocol:檢查對象是否實現了指定協議類的方法；

-methodForSelector: 返回指定方法實現的地址。

常見的一個例子：

 

 

 

id 和 void * 轉換API：(__bridge void *)

在 ARC 有效時，經過 (__bridge void *)轉換 id 和 void * 就可以相互轉換。爲何轉換？這是由於objc_getAssociatedObject的參數要求的。先看一下它的API：

能夠知道，這個「屬性名」的key是必須是一個void *類型的參數。因此須要轉換。關於這個轉換，下面給一個轉換的例子：

 

4. 運行時實戰指南

上面的API不是提供你們背的，而是用來查閱的，當你要用到的時候查閱。由於這些原理和API光看沒用，須要實戰以後再回過頭來查閱和理解。筆者另外寫了runtime的原理與實踐。若是想了解runtime的更多知識，能夠關注微信公衆號：程序員大牛，天天分享乾貨！