探祕Runtime - Runtime介紹

該文章屬於<簡書 — 劉小壯>原創，轉載請註明：

<簡書 — 劉小壯> https://www.jianshu.com/p/ce97c66027cd

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Runtime是iOS系統中重要的組成部分，面試也是必問的問題，因此Runtime是一個iOS工程師必須掌握的知識點。

如今市面上有不少關於Runtime的學習資料，也有很多高質量的，可是大多數質量都不是很高，並且都只介紹某個點，並不全面。

這段時間正好公司內部組織技術分享，我分享的主題就是Runtime，我把分享的資料發到博客，你們一塊兒學習交流。

文章都是個人一些筆記，和平時的技術積累。我的水平有限，文章有什麼問題還請各位大神指導，謝謝！

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描述

**OC語言是一門動態語言，會將程序的一些決定工做從編譯期推遲到運行期。**因爲OC語言運行時的特性，因此其不僅須要依賴編譯器，還須要依賴運行時環境。

OC語言在編譯期都會被編譯爲C語言的Runtime代碼，二進制執行過程當中執行的都是C語言代碼。而OC的類本質上都是結構體，在編譯時都會以結構體的形式被編譯到二進制中。Runtime是一套由C、C++、彙編實現的API，全部的方法調用都叫作發送消息。

根據Apple官方文檔的描述，目前OC運行時分爲兩個版本，Modern和Legacy。兩者的區別在於Legacy在實例變量發生改變後，須要從新編譯其子類。Modern在實例變量發生改變後，不須要從新編譯其子類。

Runtime不僅是一些C語言的API，其由Class、Meta Class、Instance、Class Instance組成，是一套完整的面向對象的數據結構。因此研究Runtime總體的對象模型，比研究API是怎麼實現的更有意義。

使用Runtime

Runtime是一個共享動態庫，其目錄位於/usr/include/objc，由一系列的C函數和結構體構成。和Runtime系統發生交互的方式有三種，通常都是用前兩種：

1. 使用OC源碼 直接使用上層OC源碼，底層會經過Runtime爲其提供運行支持，上層不須要關心Runtime運行。
2. NSObject 在OC代碼中絕大多數的類都是繼承自NSObject的，NSProxy類例外。Runtime在NSObject中定義了一些基礎操做，NSObject的子類也具有這些特性。
3. Runtime動態庫 上層的OC源碼都是經過Runtime實現的，咱們通常不直接使用Runtime，直接和OC代碼打交道就能夠。

使用Runtime須要引入下面兩個頭文件，一些基礎方法都定義在這兩個文件中。

#import <objc/runtime.h>
#import <objc/message.h>

對象模型

下面圖中表示了對象間isa的關係，以及類的繼承關係。

從Runtime源碼能夠看出，每一個對象都是一個objc_object的結構體，在結構體中有一個isa指針，該指針指向本身所屬的類，由Runtime負責建立對象。

類被定義爲objc_class結構體，objc_class結構體繼承自objc_object，因此類也是對象。在應用程序中，類對象只會被建立一份。在objc_class結構體中定義了對象的method list、protocol、ivar list等，表示對象的行爲。

既然類是對象，那類對象也是其餘類的實例。因此Runtime中設計出了meta class，經過meta class來建立類對象，因此類對象的isa指向對應的meta class。而meta class也是一個對象，全部元類的isa都指向其根元類，根原類的isa指針指向本身。經過這種設計，isa的總體結構造成了一個閉環。

// 精簡版定義
typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
}

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

在對象的繼承體系中，類和元類都有各自的繼承體系，但它們都有共同的根父類NSObject，而NSObject的父類指向nil。須要注意的是，上圖中Root Class(Class)是NSObject類對象，而Root Class(Meta)是NSObject的元類對象。

基礎定義

在objc-private.h文件中，有一些項目中經常使用的基礎定義，這是最新的objc-723中的定義，能夠來看一下。

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

typedef struct method_t *Method;
typedef struct ivar_t *Ivar;
typedef struct category_t *Category;
typedef struct property_t *objc_property_t;

IMP

在Runtime中IMP本質上就是一個函數指針，其定義以下。在IMP中有兩個默認的參數id和SEL，id也就是方法中的self，這和objc_msgSend()函數傳遞的參數同樣。

typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ );

Runtime中提供了不少對於IMP操做的API，下面就是不分IMP相關的函數定義。咱們比較常見的是method_exchangeImplementations函數，Method Swizzling就是經過這個API實現的。

OBJC_EXPORT void
method_exchangeImplementations(Method _Nonnull m1, Method _Nonnull m2) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nonnull
method_setImplementation(Method _Nonnull m, IMP _Nonnull imp) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nonnull
method_getImplementation(Method _Nonnull m) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nullable
class_getMethodImplementation(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull name) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
// ....

獲取IMP

經過定義在NSObject中的下面兩個方法，能夠根據傳入的SEL獲取到對應的IMP。methodForSelector:方法不僅實例對象能夠調用，類對象也能夠調用。

- (IMP)methodForSelector:(SEL)aSelector;
+ (IMP)instanceMethodForSelector:(SEL)aSelector;

例以下面建立C函數指針用來接收IMP，獲取到IMP後能夠手動調用IMP，在定義的C函數中須要加上兩個隱藏參數。

void (*function) (id self, SEL _cmd, NSObject object);

function = (id self, SEL _cmd, NSObject object)[self methodForSelector:@selector(object:)];

function(instance, @selector(object:), [NSObject new]);

性能優化

經過這些API能夠進行一些優化操做。若是遇到大量的方法執行，能夠經過Runtime獲取到IMP，直接調用IMP實現優化。

TestObject *object = [[TestObject alloc] init];
void(*function)(id, SEL) = (void(*)(id, SEL))class_getMethodImplementation([TestObject class], @selector(testMethod));
function(object, @selector(testMethod));

在獲取和調用IMP的時候須要注意，每一個方法默認都有兩個隱藏參數，因此在函數聲明的時候須要加上這兩個隱藏參數，調用的時候也須要把相應的對象和SEL傳進去，不然可能會致使Crash。

IMP for block

Runtime還支持block方式的回調，咱們能夠經過Runtime的API，將原來的方法回調改成block的回調。

// 類定義
@interface TestObject : NSObject
- (void)testMethod:(NSString *)text;
@end

// 類實現
@implementation TestObject
- (void)testMethod:(NSString *)text {
    NSLog(@"testMethod : %@", text);
}
@end

// runtime
IMP function = imp_implementationWithBlock(^(id self, NSString *text) {
    NSLog(@"callback block : %@", text);
});
const char *types = sel_getName(@selector(testMethod:));
class_replaceMethod([TestObject class], @selector(testMethod:), function, types);
    
TestObject *object = [[TestObject alloc] init];
[object testMethod:@"lxz"];

// 輸出
callback block : lxz

Method

Method用來表示方法，其包含SEL和IMP，下面能夠看一下Method結構體的定義。

typedef struct method_t *Method;

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
};

在運行過程當中是這樣。

在Xcode進行編譯的時候，只會將Xcode的Compile Sources中.m聲明的方法編譯到Method List，而.h文件中聲明的方法對Method List沒有影響。

Property

在Runtime中定義了屬性的結構體，用來表示對象中定義的屬性。@property修飾符用來修飾屬性，修飾後的屬性爲objc_property_t類型，其本質是property_t結構體。其結構體定義以下。

typedef struct property_t *objc_property_t;

struct property_t {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

能夠經過下面兩個函數，分別獲取實例對象的屬性列表，和協議的屬性列表。

objc_property_t * class_copyPropertyList（Class cls，unsigned int * outCount）
objc_property_t * protocol_copyPropertyList（Protocol * proto，unsigned int * outCount）

能夠經過下面兩個方法，傳入指定的Class和propertyName，獲取對應的objc_property_t屬性結構體。

objc_property_t class_getProperty（Class cls，const char * name）
objc_property_t protocol_getProperty（Protocol * proto，const char * name，BOOL isRequiredProperty，BOOL isInstanceProperty）

分析實例變量

對象間關係

在OC中絕大多數類都是繼承自NSObject的(NSProxy例外)，類與類之間都會存在繼承關係。經過子類建立對象時，繼承鏈中全部成員變量都會存在對象中。

例以下圖中，父類是UIViewController，具備一個view屬性。子類UserCenterViewController繼承自UIViewController，並定義了兩個新屬性。這時若是經過子類建立對象，就會同時包含着三個實例變量。

可是類的結構在編譯時都是固定的，若是想要修改類的結構須要從新編譯。若是上線後用戶安裝到設備上，新版本的iOS系統中更新了父類的結構，也就是UIViewController的結構，爲其加入了新的實例變量，這時用戶更新新的iOS系統後就會致使問題。

原來UIViewController的結構中增長了childViewControllers屬性，這時候和子類的內存偏移就發生衝突了。只不過，Runtime有檢測內存衝突的機制，在類生成實例變量時，會判斷實例變量是否有地址衝突，若是發生衝突則調整對象的地址偏移，這樣就在運行時解決了地址衝突的問題。

內存佈局

類的本質是結構體，在結構體中包含一些成員變量，例如method list、ivar list等，這些都是結構體的一部分。method、protocol、property的實現這些均可以放到類中，全部對象調用同一份便可，但對象的成員變量不能夠放在一塊兒，由於每一個對象的成員變量值都是不一樣的。

**建立實例對象時，會根據其對應的Class分配內存，內存構成是ivars+isa_t。**而且實例變量不僅包含當前Class的ivars，也會包含其繼承鏈中的ivars。ivars的內存佈局在編譯時就已經決定，運行時須要根據ivars內存佈局建立對象，因此Runtime不能動態修改ivars，會破壞已有內存佈局。

(上圖中，「x」表示地址對其後的空位)

以上圖爲例，建立的對象中包含所屬類及其繼承者鏈中，全部的成員變量。由於對象是結構體，因此須要進行地址對其，通常OC對象的大小都是8的倍數。

**也不是全部對象都不能動態修改ivars，若是是經過runtime動態建立的類，是能夠修改ivars的。**這個在後面會有講到。

ivar讀寫

實例變量的isa_t指針會指向其所屬的類，對象中並不會包含method、protocol、property、ivar等信息，這些信息在編譯時都保存在只讀結構體class_ro_t中。在class_ro_t中ivars是const只讀的，在image load時copy到class_rw_t中時，是不會copy ivars的，而且class_rw_t中並無定義ivars的字段。

在訪問某個成員變量時，直接經過isa_t找到對應的objc_class，並經過其class_ro_t的ivar list作地址偏移，查找對應的對象內存。正是因爲這種方式，因此對象的內存地址是固定不可改變的。

方法傳參

當調用實例變量的方法時，會經過objc_msgSend()發起調用，調用時會傳入self和SEL。函數內部經過isa在類的內部查找方法列表對應的IMP，傳入對應的參數併發起調用。若是調用的方法時涉及到當前對象的成員變量的訪問，這時候就是在objc_msgSend()內部，經過類的ivar list判斷地址偏移，取出ivar並傳入調用的IMP中的。

調用super的方式時則調用objc_msgSendSuper()函數實現，調用時將實例變量的父類傳進去。可是須要注意的是，調用objc_msgSendSuper函數時傳入的對象，也是當前實例變量，因此是在向本身發送父類的消息。具體能夠看一下[self class]和[super class]的結果，結果應該都是同樣的。

在項目中常常會經過[super xxx]的方式調用父類方法，這是由於須要先完成父類的操做，固然也能夠不調用，視狀況而定。以常常見到的自定義init方法中，常常會出現if (self = [super init])的調用，這是在完成本身的初始化以前先對父類進行初始化，不然只初始化自身可能會存在問題。在調用[super init]時若是返回nil，則表示父類初始化失敗，這時候初始化子類確定會出現問題，因此須要作判斷。

參考資料

Apple Runtime Program Guild 維基百科-Objective-C 維基百科-Clang 維基百科-GCC(GNU)

蘋果開源代碼不建議去Github，上面的版本通常更新不及時，建議去蘋果的開源官網。 Apple Opensource

簡書因爲排版的問題，閱讀體驗並很差，佈局、圖片顯示、代碼等不少問題。因此建議到我Github上，下載Runtime PDF合集。把全部Runtime文章總計九篇，都寫在這個PDF中，並且左側有目錄，方便閱讀。

下載地址：Runtime PDF 麻煩各位大佬點個贊，謝謝！