iOS runtime详解

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简介

Objective-C 是一个动态语言，这意味着它不仅需要一个编译器，也需要一个运行时系统来动态得创建类和对象、进行消息传递和转发。理解 Objective-C 的 Runtime 机制可以帮我们更好的了解这个语言，适当的时候还能对语言进行扩展，从系统层面解决项目中的一些设计或技术问题。了解 Runtime ，要先了解它的OC中类和对象的结构 然后了解消息传递 （Messaging）。

OC中类和对象的结构

Objective-C类是由Class类型来表示的，它实际上是一个指
向objc_class结构体的指针。

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typedef struct object_class *Class

查看objc/runtime.h中objc_class结构体的定义如下：

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struct object_class{
    Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
     Class super_class                        OBJC2_UNAVAILABLE;  // 父类
     const char *name                         OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类名
     long version                             OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类的版本信息，默认为0
     long info                                OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类信息，供运行期使用的一些位标识
     long instance_size                       OBJC2_UNAVAILABLE;  // 该类的实例变量大小
     struct objc_ivar_list *ivars             OBJC2_UNAVAILABLE;  // 该类的成员变量链表
     struct objc_method_list *methodLists     OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法定义的链表
     struct objc_cache *cache                 OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法缓存
     struct objc_protocol_list *protocols     OBJC2_UNAVAILABLE;  // 协议链表
#endif
}OBJC2_UNAVAILABLE;

objc_object

objc_object是表示一个类的实例的结构体
它的定义如下(objc/objc.h)：

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

这个结构体只有一个指针，即指向其类的isa指针。这
样，当我们向一个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及父类的方法列表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。

元类(Meta Class)

objc在向一个对象发送消息时，runtime库会根据对象的isa指针找到该对象实际所属的类。

方法与消息

SEL

SEL又叫选择器，是表示一个方法的selector的指针，其定义如下：

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typedef struct objc_selector *SEL；

方法的selector用于表示运行时方法的名字。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。
两个类之间，只要方法名相同，那么方法的SEL就是一样的，每一个方法都对应着一个SEL。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，即使参数类型不同也不行
当然，不同的类可以拥有相同的selector，这个没有问题。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。
工程中的所有的SEL组成一个Set集合，如果我们想到这个方法集合中查找某个方法时，只需要去找到这个方法对应的SEL就行了，SEL实际上就是根据方法名hash化了的一个字符串，而对于字符串的比较仅仅需要比较他们的地址就可以了，可以说速度上无语伦比！
本质上，SEL只是一个指向方法的指针（准确的说，只是一个根据方法名hash化了的KEY值，能唯一代表一个方法），它的存在只是为了加快方法的查询速度。
通过下面三种方法可以获取SEL:

  • sel_registerName函数
  • Objective-C编译器提供的@selector()
  • NSSelectorFromString()方法

IMP

IMP实际上是一个函数指针，指向方法实现的地址。
其定义如下:

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id (*IMP)(id, SEL,...)

第一个参数：是指向self的指针(如果是实例方法，则是类实例的内存地址；如果是类方法，则是指向元类的指针)
第二个参数：是方法选择器(selector)
接下来的参数：方法的参数列表。
前面介绍过的SEL就是为了查找方法的最终实现IMP的。由于每个方法对应唯一的SEL，因此我们可以通过SEL方便快速准确地获得它所对应的IMP。取得IMP后，我们就获得了执行这个方法代码的入口点，此时，我们就可以像调用普通的C语言函数一样来使用这个函数指针了。

Method

Method用于表示类定义中的方法，则定义如下：

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typedef struct objc_method *Method
struct objc_method{
    SEL method_name      OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法名
    char *method_types   OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp       OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法实现
}

我们可以看到该结构体中包含一个SEL和IMP，实际上相当于在SEL和IMP之间作了一个映射。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。

方法调用流程

在Objective-C中，消息直到运行时才绑定到方法实现上。编译器会将消息表达式[receiver message]转化为一个消息函数的调用，即objc_msgSend。这个函数将消息接收者和方法名作为其基础参数，如以下所示

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objc_msgSend(receiver, selector)

如果消息中还有其它参数，则该方法的形式如下所示：

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objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2,...)

这个函数完成了动态绑定的所有事情.

基本流程就是：
objc_msgSend通过对象的isa指针获取到类的结构体，然后在方法的缓存列表里面查找方法的selector。如果缓存里没有再去方法列表里去找。
如果没有找到selector，objc_msgSend结构体中的指向父类的指针找到其父类，并在父类的缓存里面查找方法的selector。
依此，会一直沿着类的继承体系到达NSObject类。一旦定位到selector，函数会就获取到了实现的入口点，并传入相应的参数来执行方法的具体实现,并将该方法添加进入缓存中如果最后没有定位到selector，则会走消息转发流程。

消息转发

当一个对象能接收一个消息时，就会走正常的方法调用流程。但如果一个对象无法接收指定消息时，也就是没有找到方法的实现时，通常情况下，程序会在运行时挂掉并抛出 unrecognized selector sent to … 的异常。但在异常抛出前，Objective-C 的运行时会给你三次拯救程序的机会：

  • Method resolution
  • Fast forwarding
  • Normal forwarding

以objc_msgSend(obj, foo)为例来分析下三种方式

Method resolution

首先，Objective-C 运行时会调用 +resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod:，让你有机会提供一个函数实现。如果你添加了函数并返回 YES， 那运行时系统就会重新启动一次消息发送的过程。你可以这么实现：

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void fooMethod(id obj, SEL _cmd)
{
    NSLog(@"Doing foo");
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)aSEL
{
    if(aSEL == @selector(foo:)){
        class_addMethod([self class], aSEL, (IMP)fooMethod, "v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod];
}

如果 resolve 方法返回 NO ，运行时就会移到下一步：消息转发（Message Forwarding）。

Fast forwarding

如果目标对象实现了 -forwardingTargetForSelector: ，Runtime 这时就会调用这个方法，给你把这个消息转发给其他对象的机会。

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- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
{
    if(aSelector == @selector(foo:)){
        return alternateObject;
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

只要这个方法返回的不是 nil 和 self，整个消息发送的过程就会被重启，当然发送的对象会变成你返回的那个对象。否则，就会继续 Normal Fowarding 。

这里叫 Fast ，只是为了区别下一步的转发机制。因为这一步不会创建任何新的对象，但下一步转发会创建一个 NSInvocation 对象，所以相对更快点。

Normal forwarding

这一步是 Runtime 最后一次给你挽救的机会。首先它会发送 -methodSignatureForSelector: 消息获得函数的参数和返回值类型。如果 -methodSignatureForSelector: 返回 nil ，Runtime 则会发出 -doesNotRecognizeSelector: 消息，程序这时也就挂掉了。如果返回了一个函数签名，Runtime 就会创建一个 NSInvocation 对象并发送 -forwardInvocation: 消息给目标对象。

NSInvocation 实际上就是对一个消息的描述，包括selector 以及参数等信息。所以你可以在 -forwardInvocation: 里修改传进来的 NSInvocation 对象，然后发送 -invokeWithTarget: 消息给它，传进去一个新的目标：

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- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation
{
    SEL sel = invocation.selector;

    if([alternateObject respondsToSelector:sel]) {
        [invocation invokeWithTarget:alternateObject];
    }
    else {
        [self doesNotRecognizeSelector:sel];
    }
}

参考

iOS运行时(Runtime)详解+Demo