前言

学习Objective-C的运行时Runtime系统是很有必要的。个人觉得，得之可得天下，失之则失天下。

Objective-C提供了编译运行时，只要有可能，它都可以动态地运作。这意味着不仅需要编译器，还需要运行时系统执行编译的代码。运行时系统充当Objective-C语言的操作系统，有了它才能运作。

运行时系统所提供功能是非常强大的，在实际开发中是经常使用到的。比如，苹果不允许我们给Category追加扩展属性，是因为它不会自动生成成员变量，那么我们通过运行时就可以很好的解决这个问题。另外，常见的模型转字典或者字典转模型，对象归档等。后续我们再来学习如何应用，本节只是讲讲理论。

与Runtime交互

Objective-C程序有有三种与runtime系统交互的级别：

1. 通过Objective-C源代码
2. 通过Foundation库中定义的NSObject提供的方法
3. 通过直接调用runtime方法

通过Objective-C源代码

在大多数的部分，运行时系统会自动运行并在后台运行。我们使用它只是写源代码并编译源代码。当编译包含Objective-C类和方法的代码时，编译器会创建实现了语言动态特性的数据结构和函数调用。该数据结构捕获在类、扩展和协议中所定义的信息。

最重要的runtime函数是发消息函数，在编译时，编译器会转换成类似objc_msgSend这样的发送消息的函数。因此，我们通过写好源代码，编译器会自动帮助我们编译成runtime代码。

通过NSObject提供的方法

在Cocoa编程中，大部分的类都继承于NSObject，也就是说NSObject通常是根类，大部分的类都继承于NSObject。有些特殊的情况下，NSObject只是提供了它应该要做什么的模板，却没有提供所有必须的代码。

有些NSObject提供的方法仅仅是为了查询运动时系统的相关信息，这此方法都可以反查自己。比如-isKindOfClass:和-isMemberOfClass:都是用于查询在继承体系中的位置。-respondsToSelector:指明是否接受特定的消息。+conformsToProtocol:指明是否要求实现在指定的协议中声明的方法。-methodForSelector:提供方法实现的地址。

通过直接调用runtime函数

runtime库函数在usr/include/objc目录下，我们主要关注是这两个头文件：

#import <objc/runtime.h>
#import <objc/objc.h>

关于如何使用，后续的文章再细细讲解。

消息（Message）

为什么叫消息呢？因为面向对象编程中，对象调用方法叫做发送消息。在编译时，应用的源代码就会被编将对象发送消息转换成runtime的objc_msgSend函数调用。

在Objective-C，消息在运行时并不要求实现。编译器会转换消息表达式：

[receiver message];

在编译时会转换成类似这样的函数调用：

objc_msgSend(receiver, selector);

具体会转换成哪个，我们来看看官方的原话：

When it encounters a method call, the compiler generates a call to one of the
 *  functions \c objc_msgSend, \c objc_msgSend_stret, \c objc_msgSendSuper, or \c objc_msgSendSuper_stret.
 *  Messages sent to an object’s superclass (using the \c super keyword) are sent using \c objc_msgSendSuper; 
 *  other messages are sent using \c objc_msgSend. Methods that have data structures as return values
 *  are sent using \c objc_msgSendSuper_stret and \c objc_msgSend_stret.

也就是说，我们是通过编译器来自动转换成运行时代码时，它会根据类型自动转换成下面的其它一个函数：

• objc_msgSend：其它普通的消息都会通过该函数来发送
• objc_msgSend_stret：消息中需要有数据结构作为返回值时，会通过该函数来发送消息并接收返回值
• objc_msgSendSuper：与objc_msgSend函数类似，只是它把消息发送给父类实例
• objc_msgSendSuper_stret：与objc_msgSend_stret函数类似，只是它把消息发送给父类实例并接收数组结构作为返回值

另外，如果函数返回值是浮点类型，官方说明如下：

 * arm:    objc_msgSend_fpret not used
 * i386:   objc_msgSend_fpret used for `float`, `double`, `long double`.
 * x86-64: objc_msgSend_fpret used for `long double`.
 *
 * arm:    objc_msgSend_fp2ret not used
 * i386:   objc_msgSend_fp2ret not used
 * x86-64: objc_msgSend_fp2ret used for `_Complex long double`.

其实这是一个条件编译，我们不用担心是哪种处理器上，我们只需要调用objc_msgSend_fpret函数即可。

注意事项：一定要调用所调用的API支持哪些平台，乱调在导致部分平台上不支持而崩溃的。

当消息被发送到实例对象时，它是如何处理的：

messaging1.gif

我们的根类是NSObject，它会一层一层的传递，直接找到要处理该消息的对象，若都没有找到，正常情况下会出现Unreconized selector ...这样的崩溃提示了。

Message Forwarding

当发送消息给一个不处理该消息的对象是错误的。然后在宣布错误之前，运行时系统给了接收消息的对象处理消息的第二个机会。

当某对象不处理某消息时，可以通过重写-forwardInvocation:方法来提供一个默认的消息响应或者避免出错。当对象中找不到方法实现时，会按照类继承关系一层层往上找。

所有元类中的isa指针都指向根元类，而根元类的isa指针则指向自身。根元类是继承于根类的，与根类的结构体成员一致，都是objc_class结构体，不同的是根元类的isa指针指向自身，而根类的isa指针为nil

当对象查询不到相关的方法，消息得不到该对象处理，会启动“消息转发”机制。消息转发还分为几个阶段：先询问receiver或者说是它所属的类是否能动态添加方法，以处理当前这个消息，这叫做“动态方法解析”，runtime会通过+resolveInstanceMethod:判断能否处理。如果runtime完成动态添加方法的询问之后，receiver仍然无法正常响应则Runtime会继续向receiver询问是否有其它对象即其它receiver能处理这条消息，若返回能够处理的对象，Runtime会把消息转给返回的对象，消息转发流程也就结束。若无对象返回，Runtime会把消息有关的全部细节都封装到NSInvocation对象中，再给receiver最后一次机会，令其设法解决当前还未处理的这条消息。

提示：消息处理越往后，开销也就会越大，因此最好直接在第一步就可以得到消息处理。

我们看看类结构体：

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;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

我们可以看到每个类结构体都会有一个isa指针，它是指向元类的。它还有一个父类指针super_class，指针父类。包含了类的名称name、类的版本信息version、类的一些标识信息info、实例大小instance_size、成员变量地址列表ivars、方法地址列表methodLists、缓存最近使用的方法地址cache、协议列表protocols`。

我们在使用时，经常使用到Class，它就是：

typedef struct objc_class *Class;

当类为根类时，它的super_class就会是nil。普通的Class存储的是实例成员，如-号方法、属性、成员变量，而isa则指向元类，而元类存储的是静态成员，如+号方法、static成员。

Type Encoding

我们想要通过运行时处理各种类型，那么我们必须要知道哪种字符代表什么类型。