RunTime(运行时)是指程序在运行过程中动态管理类型、对象、方法等的机制。Objective-C 和 Swift 都拥有自己的运行时系统,但设计理念和实现方式有很大不同。理解 RunTime 的底层原理,是掌握 iOS 高级开发的关键。
Objective-C 对象在底层以结构体的形式实现,其最核心的成员是 isa 指针。
struct objc_object {
Class isa;
};
在64位系统中,为了最大限度利用指针的64位空间,苹果将 isa指针设计为联合体 union isa_t。该结构不仅存储对象所属类的地址,还通过位域技术将内存管理与对象特征标志位压缩在同一指针空间内,从而显著减少内存占用并提升访问效率。
union isa_t {
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
Class cls; // 原始类指针(未启用优化时)
uintptr_t bits; // 位域访问入口
struct { // 位域结构(arm64架构示例)
uintptr_t nonpointer : 1; // 是否启用指针优化
uintptr_t has_assoc : 1; // 是否含关联对象
uintptr_t has_cxx_dtor : 1; // 是否有C++析构函数
uintptr_t shiftcls : 33; // 类地址(MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000)
uintptr_t magic : 6; // 对象生命周期校验
uintptr_t weakly_referenced : 1; // 是否被弱引用
uintptr_t deallocating : 1; // 是否正在释放
uintptr_t has_sidetable_rc : 1; // 是否使用sideTable存储引用计数
uintptr_t extra_rc : 19; // 快速引用计数存储(溢出后转存至sideTable)
};
};
实际内存布局顺序为:
以下代码为例:
@interface Animal : NSObject {
int age;
int height;
}
@end
@interface Dog : Animal {
int weight;
int color;
}
@end
Dog对象的内存布局:
| isa | age | height | weight | color |
|-----|-------|----------|-----------|--------|
这样设计可以保证子类对象在作为父类对象使用时,父类成员变量的偏移量不变,从而保证继承的兼容性和对象模型的稳定性。
类对象本质也是一个结构体,定义如下(简化版):
struct objc_class : objc_object {
Class isa;
Class super_class;
cache_t cache;
class_data_bits_t bits;
};
class_data_bits_t是Objective-C运行时中用于高效存储和访问类数据的关键结构.
struct class_data_bits_t {
uintptr_t bits; // 存储数据的位域
// 获取class_rw_t指针
class_rw_t* data() {
return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}
// 设置class_rw_t指针
void setData(class_rw_t *newData) {
bits = (bits & ~FAST_DATA_MASK) | (uintptr_t)newData;
}
};
其中class_rw_t存储运行时可变数据,class_ro_t存储编译期确定的只读数据。其结构如下
struct class_rw_t {
uint32_t flags; // 标志位
uint32_t version; // 版本号
const class_ro_t *ro; // 指向只读数据
method_list_t *methods; // 方法列表
property_list_t *properties; // 属性列表
protocol_list_t *protocols; // 协议列表
ivar_list_t *ivars; // 成员变量列表
......
};
struct class_ro_t {
uint32_t flags; // 标志位
uint32_t instanceStart; // 实例对象起始偏移
uint32_t instanceSize; // 实例对象大小
const char *name; // 类名
method_list_t *methods; // 方法列表
property_list_t *properties; // 属性列表
protocol_list_t *protocols; // 协议列表
ivar_list_t *ivars; // 成员变量列表
......
};
每个类对象都有一个方法缓存cache,结构如下:
struct cache_t {
struct bucket_t *_buckets;
mask_t _mask;
mask_t _occupied;
};
作用:加速方法查找,避免每次都遍历方法列表。
类对象中有方法列表,存储所有实例方法:
struct method_t {
SEL name; // 方法名
const char *types; // 方法类型编码
IMP imp; // 方法实现指针
};
在类对象的 ivar_list 中,保存的是所有成员变量的描述信息(如名字、类型、偏移量等),而成员变量的实际值是存储在每个实例对象的内存空间中(紧跟在 isa 指针之后,按照继承链和声明顺序排列)。
属性信息存储在类对象的 property_list 中,仅用于描述属性的名称、类型、特性等。属性通常会自动合成一个对应的成员变量(如 name),成员变量的实际值存储在实例对象中。
// 成员变量描述结构体
struct ivar_t {
int32_t *offset; // 偏移量(成员变量在实例对象内存中的位置)
const char *name; // 成员变量名
const char *type; // 类型编码
// ... 其他信息
};
// 成员变量列表
struct ivar_list_t {
uint32_t count; // 成员变量数量
ivar_t ivars[]; // 成员变量数组
};
// 属性描述结构体
struct property_t {
const char *name; // 属性名
const char *attributes; // 属性特性字符串(如T@"NSString",C,N,V_name等)
// ... 其他信息
};
// 属性列表
struct property_list_t {
uint32_t count; // 属性数量
property_t properties[];// 属性数组
};
Objective-C 的方法调用本质上是“向对象发送消息”,而 objc_msgSend 就是消息发送的核心函数。理解其底层流程,是掌握 RunTime 的关键。
当对象接收到一个未实现的方法调用时,RunTime 会依次经历以下步骤:
下面我们逐步拆解每一步的底层实现。
底层原理:
当实例方法找不到时,RunTime 会调用 +resolveInstanceMethod:;类方法找不到时,调用 +resolveClassMethod:。你可以在这里通过 class_addMethod 动态添加方法。
代码示例:
// 动态添加实例方法
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
if (sel == @selector(test)) {
class_addMethod(self, sel, (IMP)testIMP, "v@:");
return YES;
}
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
// 动态添加类方法
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel {
if (sel == @selector(testClassMethod)) {
Class metaClass = object_getClass(self); // 获取元类
class_addMethod(metaClass, sel, (IMP)testClassMethodIMP, "v@:");
return YES;
}
return [super resolveClassMethod:sel];
}
底层原理:
如果动态方法解析未能处理,RunTime 会调用实例方法 -forwardingTargetForSelector:。你可以返回一个“备选接收者”,RunTime 会将消息直接转发给该对象。如果返回 nil,进入完整消息转发。
代码示例:
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
if (aSelector == @selector(test)) {
return anotherObj; // 转发给 anotherObj
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
底层原理:
如果快速转发未处理,RunTime 会调用 -methodSignatureForSelector:,询问你“这个 SEL 对应的方法签名是什么?”你需要返回一个 NSMethodSignature 对象,描述方法的参数和返回值类型。如果返回 nil,RunTime 会直接抛出异常。
代码示例:
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
if (aSelector == @selector(test:)) {
return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:@"];
}
return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}
底层原理:
RunTime 会根据方法签名创建一个 NSInvocation 对象,封装原始的消息调用。然后调用 -forwardInvocation:,你可以在这里自定义如何处理这个消息,比如转发给其他对象、修改参数、记录日志等。如果你没有处理,调用 [super forwardInvocation:],最终会抛出异常。
代码示例:
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
if ([anotherObj respondsToSelector:anInvocation.selector]) {
[anInvocation invokeWithTarget:anotherObj];
} else {
[super forwardInvocation:anInvocation];
}
}
1. 底层原理
如果上述所有机制都未能处理该消息,RunTime 会调用 doesNotRecognizeSelector:,最终抛出 unrecognized selector sent to instance 异常,导致程序崩溃。
2. 异常信息解读
当出现此异常时,Xcode控制台会输出类似如下信息:
Terminating app due to uncaught exception 'NSInvalidArgumentException',
reason: '-[MyClass test]: unrecognized selector sent to instance 0x12345678'
在Swift中,对象主要分为两种类型:值类型和引用类型。这两种类型在内存管理和使用方式上有着本质的区别:
Swift的类对象采用了现代化的内存布局设计,其结构如下:
| Metadata指针 | 属性1 | 属性2 | ... |
继承NSObject的Swift类同时具有Swift和Objective-C的特征
以下代码为例:
class MyClass: NSObject {
var property1: Int
var property2: String
}
其内存布局如下所示:
+------------------+------------------+------------------+------------------+
| isa指针(OC) | Metadata指针(Swift) | property1 | property2 |
+------------------+------------------+------------------+------------------+
这种混合结构让继承NSObject的Swift类既能保持Swift的高效,又能与Objective-C无缝交互。
Metadata是Swift类型系统的核心,它记录了类型在运行时的所有关键信息。以类(Class)为例,其简化结构如下:
以类(Class)为例,简化结构如下:
struct ClassMetadata {
void *kind; // 类型标识(区分class/struct/enum等)
void *superclass; // 父类的Metadata指针
void *cacheData; // 方法缓存(加速查找)
void *data; // 指向更详细的类型描述
// ... 其他字段
};
Metadata采用分层设计:基础信息在前,详细信息通过指针层层递进。
1. 基础层:包含类型标识、父类信息等基本信息
2. 扩展层:过data指针指向更详细的信息,包括:
Swift默认采用静态派发机制,这意味着:
在以下情况下,Swift会采用动态派发机制:
动态派发通过vtable(虚函数表)或witness table(协议表)实现:
+-------------------+
| 方法1的指针(IMP) |
| 方法2的指针(IMP) |
| ... |
+-------------------+
Swift提供了Mirror类型用于运行时反射,可以获取对象的属性名、属性值、类型等信息。
let mirror = Mirror(reflecting: someObject)
for child in mirror.children {
print("属性名: \(child.label), 属性值: \(child.value)")
}
总结一句话:
Swift 的 RunTime 机制以牺牲部分动态性为代价,换来了更高的类型安全和运行效率。
Objective-C RunTime | Swift RunTime | |
---|---|---|
对象头部 | isa指针,部分信息存side table | Metadata指针,引用计数直接存对象头部 |
方法派发 | 动态派发(objc_msgSend ),全部运行时查找 |
静态派发为主,动态派发仅限特殊场景 |
动态性 | 极强,支持动态添加/替换方法、类、属性等 | 较弱,类型和方法多在编译期确定 |
反射能力 | 强大,支持完整反射和元编程 | Mirror API有限,无法动态修改类型结构 |
内存布局 | 对象头部+成员变量,side table存扩展信息 | Metadata指针+属性区,布局紧凑 |
弱引用 | 全局weak表,side table辅助 | 全局weak表,直接与对象头部配合 |
关联对象 | 支持(依赖side table) | 不支持(标准库无此机制) |
性能 | 动态性带来一定性能损耗 | 静态派发、内存优化,性能极高 |
安全性 | 动态性强但易出错 | 类型安全,编译期检查,运行时更安全 |
混编支持 | 与C/Swift无缝混编 | 与OC混编需继承NSObject ,部分特性受限 |
Objective-C 所有方法调用都通过objc_msgSend来实现,也就是每次调用方法时,系统都会在运行时查找方法的具体实现。这种方式非常灵活,可以在运行时动态替换方法,但也带来了一定的性能损耗。
Swift采用以静态派发为主的混合派发机制。大多数方法在编译期就确定了实现位置,只有少数特殊情况(如被dynamic修饰的方法、遵循@objc协议的方法、协议的可选方法、继承自NSObject的类的方法)才会使用动态派发。动态派发通过vtable或witness table实现,虽然限制了动态性,但大大提升了性能。
Objective-C具备极强的动态性。开发者可以在运行时动态添加或替换方法、创建新类、修改类结构,还可以通过完整的反射API查询和操作类型信息。这些特性使其非常适合实现AOP、热修复等高级功能。例如,可以通过class_addMethod动态添加方法,通过method_exchangeImplementations交换方法实现。
Swift的动态性相对较弱。大多数类型信息在编译期就已确定,运行时修改能力有限。虽然提供了Mirror API用于查看对象属性和类型信息,但无法动态修改类型结构。这种设计虽然限制了某些高级特性的实现,但更适合类型安全的业务开发。例如,可以通过Mirror(reflecting: object)查看对象属性。
Objective-C的对象内存布局包含isa指针(8字节)和按声明顺序排列的成员变量。扩展信息(如引用计数、弱引用、关联对象、方法缓存等)存储在side table中。这种设计虽然减少了对象本身的内存占用,但访问这些信息需要额外查找side table,增加了访问成本。
Swift的对象内存布局包含Metadata指针和按声明顺序排列的属性。引用计数直接存储在对象头部,弱引用与对象头部配合,没有公开的side table机制。这种设计虽然增加了对象本身的大小,但减少了访问开销,整体内存布局更紧凑高效。
在框架开发中,Objective-C更适合需要高度动态性的场景,如AOP实现、热修复系统、插件化架构、动态代理、KVO/KVC等。可以通过减少消息发送、缓存方法实现、优化内存布局、合理使用side table等方式优化性能。
Swift更适合高性能业务逻辑、类型安全API、并发编程、函数式编程等场景。可以通过利用静态派发、优化值类型使用、减少动态派发、优化内存布局等方式提升性能。在混编开发中,需要明确边界、合理分工、注意性能、统一规范,根据具体需求选择合适的语言或混编方案。
场景:无侵入埋点、AOP、日志等。
示例:统计所有UIViewController的viewDidLoad调用。
#import
@implementation UIViewController (Swizzling)
+ (void)load {
static dispatch_once_t onceToken;
dispatch_once(&onceToken, ^{
Method original = class_getInstanceMethod(self, @selector(viewDidLoad));
Method swizzled = class_getInstanceMethod(self, @selector(swizzled_viewDidLoad));
method_exchangeImplementations(original, swizzled);
});
}
- (void)swizzled_viewDidLoad {
NSLog(@"%@ did load", NSStringFromClass([self class]));
[self swizzled_viewDidLoad]; // 实际调用原viewDidLoad
}
@end
场景:为Category动态添加属性。
#import
static const void *kNameKey = &kNameKey;
@interface Person : NSObject
@end
@implementation Person
@end
@interface Person (Category)
@property (nonatomic, strong) NSString *name;
@end
@implementation Person (Category)
- (void)setName:(NSString *)name {
objc_setAssociatedObject(self, kNameKey, name, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}
- (NSString *)name {
return objc_getAssociatedObject(self, kNameKey);
}
@end
场景:自动实现NSCoding协议,无需手写每个属性。
#import
@implementation Person
- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)coder {
unsigned int count = 0;
Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &count);
for (int i = 0; i < count; i++) {
Ivar ivar = ivars[i];
NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
id value = [self valueForKey:key];
[coder encodeObject:value forKey:key];
}
free(ivars);
}
- (instancetype)initWithCoder:(NSCoder *)coder {
if (self = [super init]) {
unsigned int count = 0;
Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &count);
for (int i = 0; i < count; i++) {
Ivar ivar = ivars[i];
NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
id value = [coder decodeObjectForKey:key];
[self setValue:value forKey:key];
}
free(ivars);
}
return self;
}
@end
场景:多重代理、消息中转、容错处理。
// 快速消息转发
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
if (aSelector == @selector(testMethod)) {
return self.anotherObject;
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
// 完整消息转发
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
if (aSelector == @selector(testMethod)) {
return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
}
return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
if ([self.anotherObject respondsToSelector:anInvocation.selector]) {
[anInvocation invokeWithTarget:self.anotherObject];
} else {
[super forwardInvocation:anInvocation];
}
}
场景:调试、日志、自动打印对象属性。
struct Person {
var name: String
var age: Int
}
let p = Person(name: "Tom", age: 18)
let mirror = Mirror(reflecting: p)
for child in mirror.children {
print("属性名: \(child.label ?? ""), 属性值: \(child.value)")
}
// 输出:
// 属性名: name, 属性值: Tom
// 属性名: age, 属性值: 18
场景:需要与OC交互、KVO、KVC、消息转发等。
class Animal: NSObject {
@objc dynamic func run() {
print("Animal run")
}
}
class Dog: Animal {
override func run() {
print("Dog run")
}
}
let a: Animal = Dog()
a.run() // 输出 Dog run,走动态派发
RunTime(运行时)是iOS开发的核心机制,主要指程序在运行过程中动态管理类型、对象、方法等的能力。Objective-C的RunTime极为强大,支持动态派发、方法交换、动态添加属性、消息转发等,底层通过isa指针、类对象、元类对象、方法缓存等结构实现,所有方法调用都走objc_msgSend,具备极高的灵活性和反射能力,适合AOP、热修复等高级玩法。Swift的RunTime则以类型安全和高性能为主,大部分方法静态派发,只有特殊场景才动态查找,反射能力有限,无法动态修改类型结构。两者对比,OC更动态、灵活,Swift更安全、高效。实际开发中,OC适合底层框架和需要动态性的场景,Swift则适合业务开发和性能敏感场合。理解RunTime原理,有助于开发者写出更高效、灵活和安全的iOS代码。
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