(四)消息与运行期

 第11条:理解objc_msgSend。

Objective-C是C的超集,所以有必要先理解C语言的函数调用方式。C语言使用静态绑定(static binding),函数地址实际上是硬编码在指令中,在编译期就能决定运行时所调用的函数(不考虑内联,inline)。

向Objective-C对象传递消息,实际上是使用动态绑定(dynamic binding)机制来决定调用的方法。在底层,所有方法都是C语言函数,Objective-C对象收到消息后,调用哪个方法完全由运行期决定,甚至可以在运行期改变。

调用Objective-C对象的方法,本质上是传递消息(pass a message),消息有名称(name)和选择器(selector),可接收参数,可能有返回值。

例如

id returnValue = [someObject messageName:parameter];

someObject是接收者(receiver),messageName是选择器,returnValue 是返回值,parameter是参数。编辑器会将其转换为消息传递机制中的核心函数objc_msgSend,是标准的C函数,原型如下:

void objc_msgSend(id self, SEL cmd, ...)

这是一个参数个数可变的函数(variadic funciton),能接受两个或以上的参数。第一个参数self代表接收者,第二个参数cmd代表选择器。

该例子的转换结果如下

id returnValue = objc_msgSend(someObject, @selector(messageName:), parameter);

objc_msgSend会根据接收者和选择器的类型查找方法,优先级是接收者所属类的方法列表(list of methods),类继承体系向上查找,消息转发(message forwarding)。

因此调用方法需要很多步骤,objc_msgSend会将匹配结果缓存在每个类的快速映射表(fast map)中,提升效率,虽然不如静态绑定函数的调用快速,但大多数情况并非应用程序的瓶颈,如果特殊情况下成为瓶颈,可以只编写纯C函数。

消息调用的边界情况(edge case)需要由Objective-C运行环境中的其它函数处理:

objc_msgSend_stret,返回结构体,返回值在CPU寄存器中。如果结构体过大,CPU寄存器无法容纳,则会由另一个函数执行派发。

objc_msgSend_fpret,返回浮点数,在某些架构的CPU中会对浮点数寄存器(floating-point register)做特殊处理。

objc_msgSendSuper,给超类发消息。

Objective-C对象的每个方法都可以视为简单的C函数,其原型如下:

<retrun_type> Class_selector(id self, SEL _cmd, ...)

每个类都有一个表格,其中都指针都会指向这种函数,选择器的名称则是查表的键。

这个函数与objc_msgSend相仿,是为了利用尾调用优化(tail-call optimization)技术,如果函数的最后一项操作是仅仅是调用另一个函数,不会将其返回值另作他用,可以运用尾调用优化技术,编译器会生产转至另一函数所需要的指令码,不会向调用堆栈推入新的栈帧(frame stack),所以不需要每次调用都需要为objc_msgSend准备栈帧,防止过早出现栈溢出(stack overflow)。

第12条:消息转发机制。

当Objective-C对象收到无法解读都消息时,就会启动消息转发(message forwarding)机制。

消息转发分为两大阶段。

第一阶段,征询接收者及其所属类能否动态添加方法,以处理当前未知的选择器(unknown selector),称为动态方法解析(dynamic mehtod resolution)。征询能否新增一个实例方法,将调用resolveInstanceMehtod。征询能否新增一个类方法,将调用resolveClassMethod。此方案常用来实现@dynamic属性。

第二阶段,接收者检查有没有替代的接收者(replacement receiver)能处理这条消息,对应方法是 -(id)forwardingTargetForSelector:(SEL)selector

通过此方案,我们可以组合模拟出多重继承的一些特性。

若没有替代的接收者,则启动完整的消息转发机制(full forwarding mechanism),把消息相关细节封装到NSInvocation对象中,请接收者解决当前还未处理的消息。对应的方法是

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation

这个方法只需要改变调用目标,使消息在新目标调用。若发现调用操作不应在本类处理,则需调用超类同名方法,直到NSObject抛出doesNotRecognizedSelector异常。

消息转发全流程可用下图表示


第13条:方法交换。

Objective-C选择器方法可以在运行期改变,善用此特性,可以在不修改源代码和不使用继承的情况下改变类功能,此方案称为方法交换(method swizzling)技术。

类的方法列表会把选择器名称映射到对应的实现方法,这些方法均以函数指针形式表示,这种指针叫做IMP,原型如下

id  (*IMP) (id, SEL, ...)

Objective-C运行期系统提供操作映射表的方法,可以新增选择器,或者改变选择器对应的IMP,或者交换两个选择器的IMP。 

方法交换可使用一下函数

void method_exchangeImplementations(Method m1, Method m2)

其中两个参数表示待交换的两个方法,可以通过一下函数获得

Mehtod class_getInstanceMethod(Class aClass, SEL aSelector)

在实际应用中一般通过分类(category)添加交换方法,以NSString为例

@interface NSString (EOCMyAdditions)

- (NSString *)eoc_myLoweraseString;

@end

通过以下代码交换两个方法

Method originalMethod = class_getInstanceMethod([NSString class], 

@selector(lowercaseString));

Method swappedMethod = class_getInstanceMethod([NSString class],

@selector(eoc_myLoweraseString));

method_exchangeImplementations(originalMethod, sewppedMethod);

实现代码如下

@implementaion NSString (EOCMyAdditions)

- (NSString *)eoc_myLowercaseString {

NSString * lowercase = [self eoc_myLowercaseString];

NSLog(@”%@  =>  %@”, self, lowercase);

return lowercase;

}

@end

这段代码看上去是无限递归,但因为此方法已经与lowercaseString互换,所以在运行期eoc_myLowercaseString实际对应原有的lowercaseString。

方法交换技术一般用于增加辅助调试的功能,如日志记录,很少用于改动类功能,要避免滥用。


第14条:运行期类型信息。

Objective-C运行期类型信息查询(instrosppection)内置在NSObject协议中,凡是公共根类(common root class,即NSObject与NSProxy,NSProxy用于转发消息代理)继承而来的对象都要遵从此协议。

Objective-C实例都是指向某块内存数据的指针,描述其数据结构的定义如下

typedef struct obic_object {

Class isa;

} *id;

isa定义了对象所属的类。

Class的定义如下

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class {

Class isa;

Class super_class;

const cahr * name;

long version;

long info;

long instance_size;

struct objc_ivar_list * ivars;

struct objc_method_list **methodLists;

struct objc_cache *cache;

struct objc_protocol_list *protocols;

}; 

此结构体存放类的元数据(metadata),super_class定义了本类的超类。isa指向元类(metaclass),即对象所属类型。

假设SomeClass类继承NSObject,其继承体系如图所示

在类继承体系中,判断实例确切类型的方法是isMemberOfClass ,判断实例是否某类或其派生类的方法是isKindOfClass。

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