iOS笔记-Runtime运行时

创建时间: 2016-12-12
状态：发布

简介

Runtime又叫运行时，是一套底层C语言的API，是iOS核心，平时编写的OC代码，底层都是基于它实现的。

[receiver message];
// 底层会被编译器转换为这样再运行
objc_mesgSend(receiver, selector)
// 如果带有参数
[receiver message:(id)arg...];
// 底层会被编译器转换为这样再运行
objc_mesgSend(receiver, selector, arg1, arg2,...)

可能光看代码看不出来他的价值，但是需Objective-C是一门动态语言，会将一些工作放在代码运行时才处理，而不是在编译的时候。即：很多类的成员变量在编译的时候系统是不知道的，只有在运行时，加入内存中才能知道。在运行时，我们所编写的代码会转换成完整的能够执行的底层代码再运行
因此，单单拥有编译器是远远不够的，还需要一个运行时系统Runtime system来处理编译后的代码。
Runtime基本是用C和汇编写的，苹果和GNU各自维护一个开源的Runtime版本，这两个版本也在努力保持一致。

Runtime的作用

Objc在三种层面上与Runtime系统进行交互：

通过Objective-C源码
通过Foundation框架的NSObject类定义的方法
通过对Runtime库函数的直接调用

Objective-C源代码

多数情况下，Runtime系统会自动在幕后帮助我们做完从OC语言到C执行语言的转换工作，在运行时确定数据结构和函数

通过`Foundation`框架的NSObject类定义的方法和Runtime交互

Cocoa程序中大部分的类都是NSObject类的子类，继承了它的行为。（NSProxy类例外，它是个抽象超类）
一些情况下，NSObject类仅仅定义了完成某件事情的模板，并没有提供所需要的代码。如- description方法，该方法返回类内容的字符串标识，一般在模型中重写这个方法，输出模型内容并调试程序。NSObject类并不知道子类的内容，如模型类，所以它只是返回类的名字和对象的地址，NSObject的子类可以重新实现。
还有一些NSObject的方法可以从Runtime系统中获取信息，运行对象进行自我检查。
如:

- class返回对象的类
- isKindOfClass:和- isMemberOfClass:方法检查对象是否存在于指定的类的继承体系中（子类或父类 / 当前类的成员变量）
- respondsToSelector:检查对象能否响应指定的消息（一般是在代理模式中判断代理是否实现类代理方法）
- conformsToProtocol:检查对象是否实现了指定协议类的方法
- methodForSelector:返回指定方法实现的地址

通过对Runtime库函数直接调用

Runtime系统是具有公用接口的动态共享库。头文件存放在/usr/include/objc目录下，这以为这我们使用时只需要引入objc/Runtime.h头文件即可
许多函数可以让你使用纯C代码来实现Objc中同样的功能。除非是写一些Objc与其他语言的桥接或是底层的debug工作，在写Objc代码时一般不会用到这些C语言函数。

一些Runtime术语的数据结构

常见的Runtime术语

SEL
id
Class
Method
Ivar
IMP
Cache
Property

SEL

是selector在Objec中表示（Swift中是Selector类）selector是方法的选择器，作用和名字一样，日常生活中，我们通过人名来辨别不同的人，注意Objc在相同的类中不会有两个命名相同的方法，也就是说，会通过方法名来辨别不同的方法。selector对方法名进行包装，以便找到对应的方法实现。其结构是：

typedef struct objc_selector *SEL; // 结构体

可以看出他是个映射到方法的C字符串，可以通过Objc编译器命令@selector()或Runtime系统的sel_registerName函数来获取一个SEL类型的方法选择器

注意
不同的类中相同名字的方法所对应的selector是相同的，由于变量的类型不同，所以不会导致他们调用方法实现混乱

id

id 是一个参数类型，他是指向某个类的示例的指针，定义如下

typedef struct objc_object *id;
struct objc_objct{ Class isa; };

以上定义，看到objc_object结构体包含一个isa指针，根据isa指针就可以找到对象所属的类

注意：
isa指针在代码运行时并不总指向示例对象所属的类型，所以不能依靠它来确定类型，要想确定类型还是需要用对象的-class方法

PS: KVO的时间机制就是将被观察对象的isa指针指向一个中间类而不是真实类型:KVO

Class

typedef struct objc_class *Class;

Class其实是指向objc_class结构体的指针，objc_class的数据结构如下

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

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

} OBJC2_UNAVAILABLE;

从objc_class可以看到，一个运行时类中关联了它的父类指针、类名、成员变量、方法、缓存及附属的协议
其中objc_ivar_list和objc_method_list分别是成员变量列别和方法列表

// 成员变量列表
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;

// 方法列表
struct objc_method_list {
    struct objc_method_list *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;
}

由此可见，我们可以动态修改*methodList的值来添加成员方法，这也是Category实现的原理，同样解释了Category不能添加属性的原因。美团技术团队的文章：深入理解Objective-C
objc_ivar_list 结构体用来存储成员变量的列表，而 objc_ivar 则是存储了单个成员变量的信息；同理，objc_method_list 结构体存储着方法数组的列表，而单个方法的信息则由 objc_method 结构体存储。
值得注意的时，objc_class 中也有一个 isa 指针，这说明 Objc 类本身也是一个对象。为了处理类和对象的关系，Runtime 库创建了一种叫做 Meta Class(元类) 的东西，类对象所属的类就叫做元类。Meta Class 表述了类对象本身所具备的元数据。
我们所熟悉的类方法，就源自于 Meta Class。我们可以理解为类方法就是类对象的实例方法。每个类仅有一个类对象，而每个类对象仅有一个与之相关的元类。
当你发出一个类似 NSObject alloc 的消息时，实际上，这个消息被发送给了一个类对象(Class Object)，这个类对象必须是一个元类的实例，而这个元类同时也是一个根元类(Root Meta Class)的实例。所有元类的 isa 指针最终都指向根元类。
所以当 [NSObject alloc] 这条消息发送给类对象的时候，运行时代码 objc_msgSend() 会去它元类中查找能够响应消息的方法实现，如果找到了，就会对这个类对象执行方法调用。

alloc

上图实现是 super_class 指针，虚线时 isa 指针。而根元类的父类是 NSObject，isa指向了自己。而 NSObject 没有父类。
最后 objc_class 中还有一个 objc_cache ，缓存，它的作用很重要

Category扩展

Objective-C的这个语言特性对于纯动态语言来说可能不算什么，比如javascript，你可以随时为一个“类”或者对象添加任意方法和实例变量。但是对于不是那么“动态”的语言而言，这确实是一个了不起的特性。
objc_ivar_list 结构体用来存储成员变量的列表，而 objc_ivar 则是存储了单个成员变量的信息；同理，objc_method_list 结构体存储着方法数组的列表，而单个方法的信息则由 objc_method 结构体存储。
值得注意的时，objc_class 中也有一个 isa 指针，这说明 Objc 类本身也是一个对象。为了处理类和对象的关系，Runtime 库创建了一种叫做 Meta Class(元类) 的东西，类对象所属的类就叫做元类。Meta Class 表述了类对象本身所具备的元数据。
我们所熟悉的类方法，就源自于 Meta Class。我们可以理解为类方法就是类对象的实例方法。每个类仅有一个类对象，而每个类对象仅有一个与之相关的元类。
当你发出一个类似 NSObject alloc 的消息时，实际上，这个消息被发送给了一个类对象(Class Object)，这个类对象必须是一个元类的实例，而这个元类同时也是一个根元类(Root Meta Class)的实例。所有元类的 isa 指针最终都指向根元类。
所以当 [NSObject alloc] 这条消息发送给类对象的时候，运行时代码 objc_msgSend() 会去它元类中查找能够响应消息的方法实现，如果找到了，就会对这个类对象执行方法调用。

Category和Extension

extension看起来很像一个匿名的category，但是extension和有名字的category几乎完全是两个东西。 extension在编译期决议，它就是类的一部分，在编译期和头文件里的@interface以及实现文件里的@implement一起形成一个完整的类，它伴随类的产生而产生，亦随之一起消亡。extension一般用来隐藏类的私有信息，你必须有一个类的源码才能为一个类添加extension，所以你无法为系统的类比如NSString添加extension。
但是category则完全不一样，它是在运行期决议的。
就category和extension的区别来看，我们可以推导出一个明显的事实，extension可以添加实例变量，而category是无法添加实例变量的（因为在运行期，对象的内存布局已经确定，如果添加实例变量就会破坏类的内部布局，这对编译型语言来说是灾难性的）。

参考：

详解Runtime运行时机制
深入理解Objective-C