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浅谈Runtime

转自南华coder的空间

Objective-C利用Runtime库(底层的 C 语言 API)赋予了语言的动态特性。

一、Runtime基石：Objective-C对象模型

1、对象

每一个对象都是类的实例, 类中保存对象的方法列表；当一个对象方法被调用时，类会首先查找它本身是否有该方法的实现，如果没有，则会向它的父类查找该方法，直到NSObject(根类)；
类是元类 (metaclass) 的实例；元类保存类方法列表；当一个类方法被调用时，元类会首先查找它本身是否有该类方法的实现，如果没有，则会向它的父类查找该方法，直到NSObject(根类)；

2、isa指针

对象的isa指针指向所属的类，类的isa指针指向所属的元类；所有的元类的 isa指针都会指向一个根元类 (root metaclass)。根元类的 isa指针指向自己，行成了一个闭环。
在64 位 CPU 下，isa 的内部结构有变化。具体查看用 isa 承载对象的类信息
对象、isa指针、类、元类、根元类的关系如下图：

3、对象布局

实例变量（包括父类）都保存在对象本身的存储空间内；实例方法保存在类中，类方法保存在元类中；父类的实例方法保存在各级 super class 中，父类的类方法保存在各级 super meta class;

//对象组成 --start--
isa pointer
rootClass's vars
penultimate superClass's vars
...
superClass's vars
Class's vars
//对象组成 --end--

typedef struct objc_class *Class;
 //类的结构
 struct objc_class{
  struct objc_class* isa;                              //指向元类
  struct objc_class* super_class;                //指向父类
  const char* name;
  long version;
  long info;
  long instance_size;
  struct objc_ivar_list* ivars;                         //实例变量列表
  struct objc_method_list** methodLists;      //方法列表
  struct objc_cache* cache;
  struct objc_protocol_list* protocols;           //协议列表
};

//实例变量的结构
struct objc_ivar {
    char *ivar_name  OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *ivar_type  OBJC2_UNAVAILABLE;
    int ivar_offset  OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space        OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}

说明1：对象中保存指向类的isa指针以及各级的实例变量(ivar)，这个内存结构在编译时就确定下来了，不能在编译时给对象增加实例变量。

说明2：类的内存布局有isa指针、super_class指针、实例变量列表、方法列表和协议列表，其中实例变量(var)包含了变量的名称、类型、偏移等。

二、Runtime核心：消息发送和转发

Runtime赋予了OC了诸多动态特性，使其可以在运行时可以做一些事情；主要表现为：动态类型（在运行时才检查对象类型）和 动态绑定（接到消息后，由运行环境决定执行哪部分代码）

1、消息发送（Message）

Objective-C 中的方法调用，实质上是在底层用objc_msgSend()实现消息发送，其核心在于：根据SEL(选择器)开始找到IMP；其中SEL是实例方法的指针，可以看做方法名字符串；IMP是函数指针，指向方法实现的地址。
```
//调用方法  
[obj doSomething];
//在编译时候转换
objc_msgSend(obj,@selector(doSomething))
```

objc_msgSend的定义如下：

// self是接收者，接收该消息的类的实例
    // _cmd是选择器，要处理的消息的selector
     // ... 是需传入的参数，参数个数不定
    objc_msgSend(id self, SEL _cmd, ...)

objc_msgSend的发送流程：先在Class中的缓存查找imp（没缓存则初始化缓存），如果没找到，则向父类的Class查找。如果一直查找到根类仍旧没有实现，就走消息转发(_objc_msgForward)了。

给nil发送消息不会有什么作用，但是返回值有些区别，具体如下：

a) 如果方法返回值是 对象，返回nil
b) 如果方法返回值是 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
c) 如果方法返回值是 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。
d) 如果方法返回值不是 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。

2-1、消息转发（Message Forwarding）

消息转发解决的是：查找IMP(方法实现)失败后的处理；经历动态方法解析、 备用接收者和 完整的消息转发三个过程，其流程如下图：

动态方法解析：接收到未知消息时，Runtime向当前类发送+resolveInstanceMethod:或+resolveClassMethod:消息，在这里可以添加缺失的方法，返回YES，重新发送消息，否则继续下一步；
备用接收者：动态方法解析中没能处理，Runtime会向forwardingTargetForSelector:发消息，如果该方法返回了一个非nil或非self对象，恰好该对象实现了这个方法，那么该对象就成了消息的接收者，消息就被分发到该对象。
完整消息转发：前两个都没能处理好，Runtime发送methodSignatureForSelector:消息，获取selector对应方法的签名；如果有方法签名返回，则根据方法签名创建描述消息的NSInvocation，向当前对象发送forwardInvocation:消息；如果没有方法签名返回，返回nil，向当前对象发送doesNotRecognizeSelector:消息，应用Crash退出。

2-2、避免消息转发的办法

在消息转发三个过程中，未知消息的处理过程越往后，代价越大；一般我们可以这么做尽可能避免消息转发，可以这么做：

调用delegate 方法前检查方法是否实现(respondsToSelector:), 只有实现了(respondsToSelector:返回YES) ，才去真正调用delegate 方法。
```
if([self.delegate respondsToSelector: @selector(sayHello)]) {
    [self.delegate sayHello];
}
```
直接调用方法，少用performSelector:；因为在直接调用方法时，编译自动校验，如果方法不存在，编译器会直接报错；而使用performSelector:的话一定是在运行时候才能发现，如果此方法不存在就会崩溃。
```
//直接使用方法调用,少使用performSelector
[dog sayHello];
// [dog performSelector:@selector(sayHello) withObject:nil];
```

使用performSelector:，最好先判断方法是否实现(respondsToSelector:)，只有实现了(respondsToSelector:返回YES) ，才去调用performSelector：方法。

//respondsToSelector:和performSelector:组合使用
    if ([dog respondsToSelector:@selector(sayHello)])         {
    [dog performSelector:@selector(sayHello)];
 }

强制类型转换，先判断对象是否属于强制转换后的类
```
if([data isKindOfClass:[NSDictionary class]]){
  //
}
```

三、Runtime特性和应用

1、分类（Category）

原理：对象的方法定义都保存在类的可变区域中，修改methodLists指针指向的指针的值，就可以实现动态地为某一个类增加成员方法。(但是对象布局在编译时候就固定了，结构体的大小并不能动态变化，在运行时不能增加实例变量)。
通过关联objc_setAssociatedObject 和 objc_getAssociatedObject方法可以变相地给对象增加实例变量，并不会真正改变了对象的内存结构。
通过Category新增的方法，会插入到方法列表的前部；如果有和原来方法重名，在运行时，顺序查找时，一旦找到对应名字的方法，就不再查找，导致原来方法得不到机会，这是Category新增的方法和原方法重名，原有方法失效的原因。
作用：给现有的类添加方法；将一个类的实现拆分成多个独立的源文件；声明私有的方法。

2、关联对象（Associated Objects）

原理：Category不能给一个已有类添加实例变量，但是可以通过关联对象添加属性；但是关联对象不会改变对象的内存布局，新增的属性是添加到和对象地址关联的哈希表中；

Associated Objects 相关的三个方法

objc_setAssociatedObject    //添加关联对象
objc_getAssociatedObject    //获取关联对象
objc_removeAssociatedObjects  // 删除所有关联对象

作用：为现有的类添加私有变量以帮助实现细节；为现有的类添加公有属性；为 KVO 创建一个关联的观察者
具体参考：Objective-C Associated Objects 的实现原理

3、方法混写(Method Swizzling)

原理：在运行时交换方法实现（IMP）

作用：可以利用它hook原有的方法，插入自己的业务需求，
详细参考我写的Method Swizzling小记

4、键值观察（KVO）

观察者模式在Objective-C的应用之一，借助Runtime特性，实现自动键值观察；使用了isa swizzling机制。具体描述如下：

当某个类的对象第一次被观察时，系统就会在运行期动态地创建该类的一个子类，在这个子类中重写基类中被观察属性的 setter 方法，实现真正的通知机制；
派生类还重写了 class 方法以“欺骗”外部调用者，系统将对象的 isa 指针指向这个新诞生的子类，实质上这个对象就成为该派生类的对象了，因而在该对象上对 setter 的调用就会调用重写的 setter，从而激活键值通知机制。
此外，派生类还重写了 dealloc 方法来释放资源。

说明：KVC（键值编码）是不通过存取方法，而通过属性名称字符串间接访问属性的机制，没有用到isa swizzling机制。

5、NSProxy

OC是单继承的，但是可以利用NSProxy实现一下“伪多继承”，具体参考NSProxy——少见却神奇的类

项目中，主要是利用NSProxy做消息转发的代理类，如弱引用代理类，可以打破循环引用。

//代码摘自 FLAnimatedImage
@interface FLWeakProxy : NSProxy
+ (instancetype)weakProxyForObject:(id)targetObject;
@end

@interface FLWeakProxy ()
@property (nonatomic, weak) id target;
@end

@implementation FLWeakProxy

#pragma mark Life Cycle
//类没有定义默认的init方法.
+ (instancetype)weakProxyForObject:(id)targetObject{
    FLWeakProxy *weakProxy = [FLWeakProxy alloc];
    weakProxy.target = targetObject;
    return weakProxy;
}

#pragma mark Forwarding Messages
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)selector{
// Keep it lightweight: access the ivar directly
return _target;
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation{
    void *nullPointer = NULL;
    [invocation setReturnValue:&nullPointer];
}

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)selector{
    return [NSObject instanceMethodSignatureForSelector:@selector(init)];
}
@end

说明: NSProxy非常适合做消息转发的代理类，能自动转发中定义的接口和NSObject的Category中定义的方法，如果使用NSObject来做，不能自动转发NSObject的Category中定义、respondsToSelector:、isKindOfClass:这两个方法。

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