【OC刨根问底】-Runtime简单粗暴理解

从C的面向过程到接触OC的对象、消息的过渡初期总会有知其然不知其所以然的纠结,相关的学习资源一般都是介绍有什么、使用步骤一二三四的套路,这样就很难知道知道本质是什么,能干什么不能干什么,为什么要选择用它。而实际开发过程,都是先有什么要解决,再努力找到实现方法。人脑的容易接受的信息,也多是主干到分枝的思维导图,纲举目张。所以,试着以自己的粗浅理解来写一点关于OC运行时的东西。

代码的思想,大概是把重复且不变的东西封装成可以重复利用的共性,把变化的东西细化为具体独立松耦合的变量。这些可以是数据类型,也可以是实现的方法代码片段。类也是封装的产物和可封装的对象。被封装的东西,需要找到里面内容来具体地实现,就需要给里面内容加个关联的映射标识,比如索引(数组)、字符串(字典)、指针、SEL(方法的代号)、isa(对象)等等。大概来说就是用类和对象来封装父类指针和方法列表,用映射来找到实现方法的代码片段。


主要思路:

实例对象instance->类class->方法method(->SEL->IMP)->实现函数

实例对象只存放isa指针和实例变量,由isa指针找到所属类,类维护一个运行时可接收的方法列表;方法列表中的每个入口是一个方法(Method),其中key是一个特定名称,即选择器(SEL),其对应一个指向底层C实现函数的指针,即实现(IMP),。运行时机制最关键核心是objc_msgSend函数,通过给target(类)发送selecter(SEL)来传递消息,找到匹配的IMP,指向实现的C函数。

由于OC的运行时动态特性,在编译之后可以在运行时通过C操作函数,动态地创建修改类信息,动态绑定方法和重写实现,灵活地实现一些自定义功能。

纸上写了个大纲,没有画思维导图,简单列个目录:

一、运行时Runtime介绍

二、类的本质:

三、 动态实现:

  • Method Swizzling;
  • ISA Swizzling;

四、 其他概念:category;super;等等。想起来再加…


————进入正题———–

一、运行时Runtime介绍

作用:在程序运行的时候执行编译后的代码,可以:

运行时Runtime的一切都围绕这两个中心:类的动态配置 和 消息传递。通过操作函数来配置类信息,通过msgSend函数传递消息。
本质:libobjc.dylib,C和汇编(消息传递机制由汇编写成)写成。

二、类的本质:

1、类相关:

数据结构(本源):Class类型的结构体。在objc/runtime.h中查看其成员:

a、数据类型:
isa和super_class :不同的类中可以有相同的方法(同一个类的方法不能同名,哪怕参数类型不同,后面解释…),所以要先确定是那个类。isa和super_class是找到实现函数的关键映射,决定找到存放在哪个类的方法实现。(isa用于自省确定所属类,super_class确定继承关系)。

实例对象的isa指针指向类,类的isa指针指向其元类(metaClass)。对象就是一个含isa指针的结构体。类存储实例对象的方法列表,元类存储类的方法列表,元类也是类对象。
这是id类型的结构(类似于C里面的void *):

当创建实例对象时,分配的内存包含一个objc_object数据结构,然后是类到父类直到根类NSObject的实例变量的数据。NSObject类的alloc和allocWithZone:方法使用函数class_createInstance来创建objc_object数据结构。

向一个Objective-C对象发送消息时,运行时库会根据实例对象的isa指针找到这个实例对象所属的类。Runtime库会在类的方法列表由super_class指针找到父类的方法列表直至根类NSObject中去寻找与消息对应的selector指向的方法。找到后即运行这个方法。

1

metaClass.png

b、操作函数:类对象以class_为前缀,实例对象以object_为前缀

  • class_:
    get: 类名,父类,元类;实例变量,成员变量;属性;实例方法,类方法,方法实现;

copy: 成员变量列表;属性列表;方法列表;协议列表;

add: 成员变量;属性;方法;协议;(添加成员变量只能在运行时创建的类,且不能为元类)

replace:属性;方法;

respond:响应方法判断(内省)

isMetaClass:元类判断(内省)

conform:遵循协议判断(内省)

  • objc_:
    get: 实例变量;成员变量;类名;类;元类;关联对象

copy:对象;类;类列表;协议列表;

set: 实例变量;类;类列表;协议;关联对象;

dispose: 对象;

  • 动态创建/销毁类、对象
    动态创建/销毁类:

动态创建/销毁对象:


2、实例变量、属性相关:
实例变量和属性也是类对象的关键配置。

属性变量的意义就是方便让其他对象访问实例变量,另外可以拓展实例变量的作用范围。当然,你可以设置只读或者可写等,设置方法也可自定义。

a、数据类型:
Ivar;

objc_property_t(取名可能是因为当时Objective-C1.0还没属性);

objc_property_attribute_t(属性的特性有:返回值、是否为atomic、getter/setter名字、是否为dynamic、背后使用的ivar名字、是否为弱引用等);

b、操作函数:

  • ivar_:
    get:

  • property_:


3、 方法消息相关:
消息传递机制是Runtime的核心,也即消息分派器objc_msgSend。先要知道几个概念。

a、 数据类型:
SEL
SEL又叫选择器,是表示一个方法的selector的指针,映射方法的名字。Objective-C在编译时,会依据每一个方法的名字、参数序列,生成一个唯一的整型标识(Int类型的地址),这个标识就是SEL。
SEL的作用是作为IMP的KEY,存储在NSSet中,便于hash快速查询方法。SEL不能相同,对应方法可以不同。所以在Objective-C同一个类(及类的继承体系)中,不能存在2个同名的方法,就算参数类型不同。多个方法可以有同一个SEL。
不同的类可以有相同的方法名。不同类的实例对象执行相同的selector时,会在各自的方法列表中去根据selector去寻找自己对应的IMP。
相关概念:类型编码(Type Encoding)
编译器将每个方法的返回值和参数类型编码为一个字符串,并将其与方法的selector关联在一起。可以使用@encode编译器指令来获取它。

中没有公开具体的objc_selector结构体成员。但通过log可知SEL本质是一个字符串。

IMP;
IMP是指向实现函数的指针,通过SEL取得IMP后,我们就获得了最终要找的实现函数的入口。

这个结构体相当于在SEL和IMP之间作了一个绑定。这样有了SEL,我们便可以找到对应的IMP,从而调用方法的实现代码。(在运行时才将SEL和IMP绑定, 动态配置方法)

objc_method_list 就是用来存储当前类的方法链表,objc_method存储了类的某个方法的信息。

方法缓存
方法调用最先是在方法缓存里找的,方法调用是懒调用,第一次调用时加载后加到缓存池里。一个objc程序启动后,需要进行类的初始化、调用方法时的cache初始化,再发送消息的时候就直接走缓存(引申:+load方法和+initialize方法。load方法是首次加载类时调用,绝对只调用一次;initialize方法是首次给类发消息时调用,通常只调用一次,但如果它的子类初始化时未定义initialize方法,则会再调用一次它的initialize方法)。

b、 操作函数:

  • method_:
    invoke: 方法实现的返回值;

get: 方法名;方法实现;参数与返回值相关;

copy: 返回值类型,参数类型

set:方法实现;

exchange:交换方法实现

description : 方法描述

  • sel_

c、方法调用流程:向对象发送消息,实际上是调用objc_msgSend函数,obj_msgSend的实际动作就是:找到这个函数指针,然后调用它。

self和_cmd是隐藏参数,在编译期被插入实现代码。
self:指向消息的接受者target的对象类型,作为一个占位参数,消息传递成功后self将指向消息的receiver。
_cmd: 指向方法实现的SEL类型。

当向一般对象发送消息时,调用objc_msgSend;当向super发送消息时,调用的是objc_msgSendSuper; 如果返回值是一个结构体,则会调用objc_msgSend_stret或objc_msgSendSuper_stret。

0.1-检查target是否为nil。如果为nil,直接cleanup,然后return。(这就是我们可以向nil发送消息的原因。) 如果方法返回值是一个对象,那么发送给nil的消息将返回nil;如果方法返回值为指针类型,其指针大小为小于或者等于sizeof(void*),float,double,long double 或者long long的整型标量,发送给nil的消息将返回0;如果方法返回值为结构体,发送给nil的消息将返回0。结构体中各个字段的值将都是0;如果方法的返回值不是上述提到的几种情况,那么发送给nil的消息的返回值将是未定义的。 0.2-如果target非nil,在target的Class中根据Selector去找IMP。(因为同一个方法可能在不同的类中有不同的实现,所以我们需要依赖于接收者的类来找到的确切的实现)。
1-首先它找到selector对应的方法实现: *1.1-在target类的方法缓存列表里检查有没有对应的方法实现,有的话,直接调用。 *1.2-比较请求的selector和类方法列表中的selector,对应的话,直接调用。 *1.3-比较请求的selector和父类方法列表,父类的父类,直至根类,如果有对应,则直接调用。(方法重写拦截父类方法的原理) 2-调用方法实现,并将接收者对象及方法的所有参数传给它。 3-最后,将实现函数的返回值作为自己的返回值。

d、动态方法解析与消息转发:如果以上的类中没有找到对应的selector(一般保险起见先用respondsToSelector:内省判断):,还可以利用消息转发机制依次执行以下流程:

  • Method Resolution(动态方法解析):
    用所属类的类方法+(BOOL)resolveInstanceMethod:(实例方法)或者+(BOOL)resolveClassMethod:(类方法),在此方法里添加class_addMethod函数。一般用于@dynamic动态属性。(当一个属性声明为@dynamic,就是向编译器保证编译时不用管/get实现,一定会在运行时实现)。
  • Fast Forwarding (快速消息转发):
    如果上一步无法响应消息,调用- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector方法,将消息接受者转发到另一个对象target(不能为self,否则死循环)。
  • Normal Forwarding(普通消息转发):
    如果上一步无法响应消息:
    调用方法签名- (NSMethodSignature )methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector,方法签名目的将函数的参数类型和返回值封装;
    如果返回非nil,则创建一个NSInvocation对象利用方法签名和selector封装未被处理的消息,作为参数传递给- (void)forwardInvocation:(NSInvocation
    )anInvocation。
    这一步比较耗时。

如果以上步骤(消息传递和消息转发)还是不能响应消息,则调动doesNotRecognizeSelector:方法,抛出异常。

(消息转发可以利用转移消息接受对象,实现伪多重继承的效果。)


4、 协议相关:@protocol声明了可以被其他任何类实现的方法,协议仅仅是定义一个接口,而由其他的类去负责实现。

数据类型:Protocol;

protocol是一个对象结构体。

操作函数:

  • objc_:

  • protocol_:
    get: 协议;属性;

copy:协议列表;属性列表;

add:属性;方法;协议;

comform:判断是否遵循协议;


5、 其他:类名;版本号;类信息;(忽略)


三、 动态实现:

  • Method Swizzling;
    Method Swizzling可以在运行时通过修改类的方法列表中selector对应的函数或者设置交换方法实现,来动态修改方法。可以重写某个方法而不用继承,同时还可以调用原先的实现。通常应用于在category中添加一个方法。
    为保证改变方法引起冲突,确保方法混用只能一次性:
    比如,在+load方法或者dispatch_once中执行。
  • ISA Swizzling;
    ISA Swizzling可以动态修改对象的isa指针,改变对象的类,类似于创建子类实现相同的功能。KVO即是同过ISA Swizzling实现的。

四、 其他概念:category;super;

  • category:

category就是定义方法的结构体,instance_methods列表是objc_class中方法列表的一个子集,class_methods列表是元类方法列表的一个子集。由其结构成员可知,category为什么不能添加成员变量(可添加属性,只有set/get方法)。

给category添加方法后,category_list会生成method list。这个方法列表是倒序添加的,也就是说,新生成的category的方法会先于旧的category的方法插入。(category的方法会优先于类方法执行)。

  • super:

super并不是隐藏参数,它实际上只是一个”编译器标示符”,它负责告诉编译器,当调用方法时,跳过当前类去调用父类的方法,而不是本类中的方法。self是类的一个隐藏参数,每个方法的实现的第一个参数即为self。实际上给super发消息时,super还是与self指向的是相同的消息接收者。

原理:使用super来接收消息时,编译器会生成一个objc_super结构体。发送消息时,不是调用objc_msgSend函数,而是调用objc_msgSendSuper函数:

该函数实际的操作是:从objc_super结构体指向的superClass的方法列表开始查找selector,找到后以objc->receiver去调用这个selector。

  • Runtime开源源码对一些方法的实现:

 

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