Objective-C Runtime 1小时入门教程

一、前言

如果你没有Objective-C基础,请学习了基础的iOS开发再来,这个1小时是给有一定iOS基础的童鞋的。如果你是大牛或者你感觉Objective-C Runtime太简单不用1小时学习的,也请您绕道,这或许只是我的私人笔记了。

请跟着教程“一步步来”,请不要大概地扫两眼就说看不懂——以这种态度写成什么样你也看不懂。这是1小时入门教程,请不要试图在1分钟内入门!

二、本文目标

1小时让你知道什么是Objective-C Runtime,并对它有一定的基本了解,可以在开发过程中运用自如。

三、Objective-C Runtime到底是什么东西?

简而言之,Objective-C Runtime是一个将C语言转化为面向对象语言的扩展。
我们将C++和Objective进行对比,虽然C++和Objective-C都是在C的基础上加入面向对象的特性扩充而成的程序设计语言,但二者实现的机制差异很大。C++是基于静态类型,而Objective-C是基于动态运行时类型。也就是说用C++编写的程序编译时就直接编译成了可令机器读懂的机器语言;用Objective-C编写的程序不能直接编译成可令机器读懂的机器语言,而是在程序运行的时候,通过Runtime把程序转为可令机器读懂的机器语言。Runtime是Objective不可缺少的重要一部分。
传送门->runtime源码

四、Objective-C的元素认知

4.1 id和Class

打开/Public Headers/objc.h文件可以看到如下定义:

Class是一个指向objc_class结构体的指针,而id是一个指向objc_object结构体的指针,其中的isa是一个指向objc_class结构体的指针。其中的id就是我们所说的对象,Class就是我们所说的类。

打开/Public Headers/runtime.h文件
objc_class的定义如下:

由以上代码可见,类与对象的区别就是类比对象多了很多特征成员,类也可以当做一个objc_object来对待,也就是说类和对象都是对象,分别称作类对象(class object)和实例对象(instance object),这样我们就可以区别对象和类了。

isa:objc_object(实例对象)中isa指针指向的类结构称为class(也就是该对象所属的类)其中存放着普通成员变量与动态方法(“-”开头的方法);此处isa指针指向的类结构称为metaclass,其中存放着static类型的成员变量与static类型的方法(“+”开头的方法)。

super_class: 指向该类的父类的指针,如果该类是根类(如NSObject或NSProxy),那么super_class就为nil。

类与对象的继承层次关系如图(图片源自网络):

objective-runtime-1

所有的metaclass中isa指针都是指向根metaclass,而根metaclass则指向自身。根metaclass是通过继承根类产生的,与根class结构体成员一致,不同的是根metaclass的isa指针指向自身。

4.2 SEL

SEL是selector在Objective-C中的表示类型。selector可以理解为区别方法的ID。

objc_selector的定义如下:

name和types都是char类型。

4.3 IMP

终于到IMP了,它在objc.h中得定义如下:

IMP是“implementation”的缩写,它是由编译器生成的一个函数指针。当你发起一个消息后(下文介绍),这个函数指针决定了最终执行哪段代码。

4.4 Method

Method代表类中的某个方法的类型。

objc_method的定义如下:

方法名method_name类型为SEL,上文提到过。
方法类型method_types是一个char指针,存储着方法的参数类型和返回值类型。
方法实现method_imp的类型为IMP,上文提到过。

4.5 Ivar

Ivar代表类中实例变量的类型

objc_ivar的定义如下:

4.6 objc_property_t

objc_property_t是属性,它的定义如下:

objc_property是内置的类型,与之关联的还有一个objc_property_attribute_t,它是属性的attribute,也就是其实是对属性的详细描述,包括属性名称、属性编码类型、原子类型/非原子类型等。它的定义如下:

4.7 Cache

Catch的定义如下:

objc_cache的定义如下:

mask: 指定分配cache buckets的总数。在方法查找中,Runtime使用这个字段确定数组的索引位置。
occupied: 实际占用cache buckets的总数。
buckets: 指定Method数据结构指针的数组。这个数组可能包含不超过mask+1个元素。需要注意的是,指针可能是NULL,表示这个缓存bucket没有被占用,另外被占用的bucket可能是不连续的。这个数组可能会随着时间而增长。
objc_msgSend(下文讲解)每调用一次方法后,就会把该方法缓存到cache列表中,下次的时候,就直接优先从cache列表中寻找,如果cache没有,才从methodLists中查找方法。

4.8 Catagory

这个就是我们平时所说的类别了,很熟悉吧。它可以动态的为已存在的类添加新的方法。
它的定义如下:

objc_category的定义如下:

因为是入门,以上就列举这些吧!

五、Objective-C的消息传递

5.1 基本消息传递

在面向对象编程中,对象调用方法叫做发送消息。在编译时,程序的源代码就会从对象发送消息转换成Runtime的objc_msgSend函数调用。
例如某实例变量receiver实现某一个方法oneMethod

Runtime会将其转成类似这样的代码

具体会转换成什么代码呢?
Runtime会根据类型自动转换成下列某一个函数:
objc_msgSend:普通的消息都会通过该函数发送
objc_msgSend_stret:消息中有数据结构作为返回值(不是简单值)时,通过此函数发送和接收返回值
objc_msgSendSuper:和objc_msgSend类似,这里把消息发送给父类的实例
objc_msgSendSuper_stret:和objc_msgSend_stret类似,这里把消息发送给父类的实例并接收返回值
当消息被发送到实例对象时,是如图所示处理的(图片源自网络):

objective-runtime-2

objc_msgSend函数的调用过程:

  • 第一步:检测这个selector是不是要忽略的。
  • 第二步:检测这个target是不是nil对象。nil对象发送任何一个消息都会被忽略掉。
  • 第三步:
    1.调用实例方法时,它会首先在自身isa指针指向的类(class)methodLists中查找该方法,如果找不到则会通过class的super_class指针找到父类的类对象结构体,然后从methodLists中查找该方法,如果仍然找不到,则继续通过super_class向上一级父类结构体中查找,直至根class;
    2.当我们调用某个某个类方法时,它会首先通过自己的isa指针找到metaclass,并从其中methodLists中查找该类方法,如果找不到则会通过metaclass的super_class指针找到父类的metaclass对象结构体,然后从methodLists中查找该方法,如果仍然找不到,则继续通过super_class向上一级父类结构体中查找,直至根metaclass;
  • 第四部:前三部都找不到就会进入动态方法解析(看下文)。

5.2 消息动态解析

动态解析流程图(图片来自网络):

objective-runtime-6

请参照图片品味以下步骤(实例请看下文《6.6 苍老师的唱歌篇》):

  • 第一步:通过resolveInstanceMethod:方法决定是否动态添加方法。如果返回Yes则通过class_addMethod动态添加方法,消息得到处理,结束;如果返回No,则进入下一步;
  • 第二步:这步会进入forwardingTargetForSelector:方法,用于指定备选对象响应这个selector,不能指定为self。如果返回某个对象则会调用对象的方法,结束。如果返回nil,则进入第三部;
  • 第三部:这步我们要通过methodSignatureForSelector:方法签名,如果返回nil,则消息无法处理。如果返回methodSignature,则进入下一步;
  • 第四部:这步调用forwardInvocation:方法,我们可以通过anInvocation对象做很多处理,比如修改实现方法,修改响应对象等,如果方法调用成功,则结束。如果失败,则进入doesNotRecognizeSelector方法,若我们没有实现这个方法,那么就会crash。

到这里大家可能晕乎乎的,下面看实战篇吧!苍老师必须让你懂!

六、Runtime实战

请大家放心,以下所有实战篇,在最后都会分享Demo给大家!

6.1 苍老师问好篇

苍老师见到我们广大的粉丝们,第一反应当然是:大家好!

最后的结果是:18岁的苍老师说:大家好!
在使用

默认会出现以下错误:
objc_msgSend()报错Too many arguments to function call ,expected 0,have3
直接通过objc_msgSend(self, setter, value)是报错,说参数过多。
请这样解决:
Build Setting–> Apple LLVM 7.0 – Preprocessing–> Enable Strict Checking of objc_msgSend Calls 改为 NO
当然你也可以这样写(推荐):

强制转换objc_msgSend函数类型为带三个参数且返回值为void函数,然后才能传三个参数。
此实战内容是,动态创建一个类,并创建成员变量和方法,最后赋值成员变量并发送消息。其中成员变量的赋值使用了KVC和object_setIvar函数两种方式,这些东西大家举一反三就可以了。

Demo传送门->6.1苍老师问好篇Demo

6.2 苍老师的特征篇

苍老师在大家心目中应该有很多特征吧,下面我们通过代码来获取苍老师的特征。
People.h文件

People.m文件

在main.m中运行以下代码

最后的输出结果如下:

objective-runtime-3

是不是有点失望,我没有加一些特殊的技能,留给下文了。此实战内容是通过苍老师的一些特征学习:如何获取对象所有的属性名称和属性值、获取对象所有成员变量名称和变量值、获取对象所有的方法名和方法参数数量。

Demo传送门->6.2苍老师的特征篇Demo

6.3 苍老师增加新技能篇

苍老师要通过Category和Associated Objects增加技能了,快看!
创建People+Associated.h文件如下:

People+Associated.m如下:

在main.m中运行以下代码

这次运行结果多出了一个associatedBust(胸围)和一个associatedCallBack(写代码)属性。
如图:

objective-runtime-4

我们成功的给苍老师添加个一个胸围的属性和一个写代码的回调,但是添加属性没有什么意义,我们平时在开发过成功中用的比较多的就是添加回调了。

Demo传送门->6.3苍老师增加新技能篇Demo

6.4 苍老师的资料归档篇

苍老师的资料总要整理一下吧!
创建People.h

People.m

Demo传送门->6.4苍老师的资料归档篇Demo

6.5 苍老师的资料转换篇

服务器返回了大量苍老师的数据,手机端这边接收后如何去转换呢?当然是要将JSON转换为Model啦!
相信平时你们的项目中也用到过这些三方库,下面我们去了解下runtime实现JSON和Model互转。
创建People.h

People.m的代码如下:

main.m中运行以下代码:

最后输出内容如下:

objective-runtime-5

相信通过前面的学习,这些代码不用写过多的注释你也可以看懂了,我把假设是网络返回的苍老师的资料转化为了model,然后又将model转回字典。这是一个JSON转Model相互转换的一个思路,大家稍后运行Demo细细品味。

Demo传送门->6.5苍老师的资料转换篇Demo

6.6 苍老师的唱歌篇

这个实例主要是验证一下上文《5.2 消息动态解析》

第一首:

添加sing实例方法,但是不提供方法的实现。验证当找不到方法的实现时,动态添加方法。
创建People.h

创建People.m

在main.m中运行以下代码:

结果如下:

objective-runtime-7

我们没有提供苍老师唱歌的方法实现,因此在调用此方法的时候,会调用resolveInstanceMethod方法,我们动态添加了方法。我们也可以返回No,继续向下传递。(此处请返回《5.2 消息动态解析》第一步品味下)

Demo传送门->6.6苍老师唱歌篇(第一首)Demo

第二首

外面的小鸟在唱歌,但是苍老师的歌声盖过了小鸟,我们只能听到苍老师唱歌了。
这里我们不声明sing方法,将调用途中动态更换调用对象。
在第一首代码的基础上,创建Bird的model
Bird.h

Bird.m

main.m运行代码如下:

运行结果如下:

objective-runtime-8

成功更换了对象,把对象更换为苍老师了。(此处请返回《5.2 消息动态解析》品味)

Demo传送门->6.6苍老师唱歌篇(第二首)Demo

第三首

苍老师不想唱歌想跳舞了。
这里我是实现不提供声明,不修改调用对象,但是将sing方法修改为dance方法。
创建People.h

People.m

在main.m中运行如下代码:

结果如图:

objective-runtime-9

成功更换了方法,苍老师由唱歌改为跳舞了(此处请返回《5.2 消息动态解析》品味)

Demo传送门->6.6苍老师唱歌篇(第三首)Demo

总结

好吧,我承认我骗了你,当你读到这里你肯定花了不止1小时。都是我的错,不是因为你笨,之所以说1小时是为了让你有信心,有耐心继续下去。读到这里恭喜你已经在iOS开发的道路上又向前了一步!同时我也要感谢以下参考文献以及文章,是他们让我更好的理解了runtime,再次表示感谢!这篇文章断断续续写了将近一周的时间,您可以读到这里就是对我最大的鼓励,谢谢!

Demo传送门->所有的Demo打包下载

本文参考文献以及文章:

Objective-C Runtime Reference
Object Model
初识Objective-C Runtime
Objective-C Runtime
Objective-C Runtime 运行时之一:类与对象
Runtime Message Forwarding
runtime模型与字典互转
iOS开发之深入探讨runtime机制
Objective-C runtime之消息(二)
Objective-C runtime之消息转发机制(三)
《编写高质量代码:改善Objective-C程序的61个建议》
《正则表达式30分钟入门教程》(参考写作方式)

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