探秘Runtime - Runtime介绍

该文章属于刘小壮原创，转载请注明：刘小壮

Runtime是iOS系统中重要的组成部分，面试也是必问的问题，所以Runtime是一个iOS工程师必须掌握的知识点。

现在市面上有很多关于Runtime的学习资料，也有不少高质量的，但是大多数质量都不是很高，而且都只介绍某个点，并不全面。

这段时间正好公司内部组织技术分享，我分享的主题就是Runtime，我把分享的资料发到博客，大家一起学习交流。

文章都是我的一些笔记，和平时的技术积累。个人水平有限，文章有什么问题还请各位大神指导，谢谢！😁

描述

OC语言是一门动态语言，会将程序的一些决定工作从编译期推迟到运行期。由于OC语言运行时的特性，所以其不只需要依赖编译器，还需要依赖运行时环境。

OC语言在编译期都会被编译为C语言的Runtime代码，二进制执行过程中执行的都是C语言代码。而OC的类本质上都是结构体，在编译时都会以结构体的形式被编译到二进制中。Runtime是一套由C、C++、汇编实现的API，所有的方法调用都叫做发送消息。

根据Apple官方文档的描述，目前OC运行时分为两个版本，Modern和Legacy。二者的区别在于Legacy在实例变量发生改变后，需要重新编译其子类。Modern在实例变量发生改变后，不需要重新编译其子类。

Runtime不只是一些C语言的API，其由Class、Meta Class、Instance、Class Instance组成，是一套完整的面向对象的数据结构。所以研究Runtime整体的对象模型，比研究API是怎么实现的更有意义。

使用Runtime

Runtime是一个共享动态库，其目录位于/usr/include/objc，由一系列的C函数和结构体构成。和Runtime系统发生交互的方式有三种，一般都是用前两种：

使用OC源码
直接使用上层OC源码，底层会通过Runtime为其提供运行支持，上层不需要关心Runtime运行。
NSObject
在OC代码中绝大多数的类都是继承自NSObject的，NSProxy类例外。Runtime在NSObject中定义了一些基础操作，NSObject的子类也具备这些特性。
Runtime动态库
上层的OC源码都是通过Runtime实现的，我们一般不直接使用Runtime，直接和OC代码打交道就可以。

使用Runtime需要引入下面两个头文件，一些基础方法都定义在这两个文件中。

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

对象模型

下面图中表示了对象间isa的关系，以及类的继承关系。

对象模型

从Runtime源码可以看出，每个对象都是一个objc_object的结构体，在结构体中有一个isa指针，该指针指向自己所属的类，由Runtime负责创建对象。

类被定义为objc_class结构体，objc_class结构体继承自objc_object，所以类也是对象。在应用程序中，类对象只会被创建一份。在objc_class结构体中定义了对象的method list、protocol、ivar list等，表示对象的行为。

既然类是对象，那类对象也是其他类的实例。所以Runtime中设计出了meta class，通过meta class来创建类对象，所以类对象的isa指向对应的meta class。而meta class也是一个对象，所有元类的isa都指向其根元类，根原类的isa指针指向自己。通过这种设计，isa的整体结构形成了一个闭环。

// 精简版定义
typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
}

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

在对象的继承体系中，类和元类都有各自的继承体系，但它们都有共同的根父类NSObject，而NSObject的父类指向nil。需要注意的是，上图中Root Class(Class)是NSObject类对象，而Root Class(Meta)是NSObject的元类对象。

基础定义

在objc-private.h文件中，有一些项目中常用的基础定义，这是最新的objc-723中的定义，可以来看一下。

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

typedef struct method_t *Method;
typedef struct ivar_t *Ivar;
typedef struct category_t *Category;
typedef struct property_t *objc_property_t;

IMP

在Runtime中IMP本质上就是一个函数指针，其定义如下。在IMP中有两个默认的参数id和SEL，id也就是方法中的self，这和objc_msgSend()函数传递的参数一样。

typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ );

Runtime中提供了很多对于IMP操作的API，下面就是不分IMP相关的函数定义。我们比较常见的是method_exchangeImplementations函数，Method Swizzling就是通过这个API实现的。

OBJC_EXPORT void
method_exchangeImplementations(Method _Nonnull m1, Method _Nonnull m2) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nonnull
method_setImplementation(Method _Nonnull m, IMP _Nonnull imp) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nonnull
method_getImplementation(Method _Nonnull m) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nullable
class_getMethodImplementation(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull name) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
// ....

获取IMP

通过定义在NSObject中的下面两个方法，可以根据传入的SEL获取到对应的IMP。methodForSelector:方法不只实例对象可以调用，类对象也可以调用。

- (IMP)methodForSelector:(SEL)aSelector;
+ (IMP)instanceMethodForSelector:(SEL)aSelector;

例如下面创建C函数指针用来接收IMP，获取到IMP后可以手动调用IMP，在定义的C函数中需要加上两个隐藏参数。

void (*function) (id self, SEL _cmd, NSObject object);

function = (id self, SEL _cmd, NSObject object)[self methodForSelector:@selector(object:)];

function(instance, @selector(object:), [NSObject new]);

性能优化

通过这些API可以进行一些优化操作。如果遇到大量的方法执行，可以通过Runtime获取到IMP，直接调用IMP实现优化。

TestObject *object = [[TestObject alloc] init];
void(*function)(id, SEL) = (void(*)(id, SEL))class_getMethodImplementation([TestObject class], @selector(testMethod));
function(object, @selector(testMethod));

在获取和调用IMP的时候需要注意，每个方法默认都有两个隐藏参数，所以在函数声明的时候需要加上这两个隐藏参数，调用的时候也需要把相应的对象和SEL传进去，否则可能会导致Crash。

IMP for block

Runtime还支持block方式的回调，我们可以通过Runtime的API，将原来的方法回调改为block的回调。

// 类定义
@interface TestObject : NSObject
- (void)testMethod:(NSString *)text;
@end

// 类实现
@implementation TestObject
- (void)testMethod:(NSString *)text {
    NSLog(@"testMethod : %@", text);
}
@end

// runtime
IMP function = imp_implementationWithBlock(^(id self, NSString *text) {
    NSLog(@"callback block : %@", text);
});
const char *types = sel_getName(@selector(testMethod:));
class_replaceMethod([TestObject class], @selector(testMethod:), function, types);
    
TestObject *object = [[TestObject alloc] init];
[object testMethod:@"lxz"];

// 输出
callback block : lxz

Method

Method用来表示方法，其包含SEL和IMP，下面可以看一下Method结构体的定义。

typedef struct method_t *Method;

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
};

在运行过程中是这样。

Method

在Xcode进行编译的时候，只会将Xcode的Compile Sources中.m声明的方法编译到Method List，而.h文件中声明的方法对Method List没有影响。

Property

在Runtime中定义了属性的结构体，用来表示对象中定义的属性。@property修饰符用来修饰属性，修饰后的属性为objc_property_t类型，其本质是property_t结构体。其结构体定义如下。

typedef struct property_t *objc_property_t;

struct property_t {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

可以通过下面两个函数，分别获取实例对象的属性列表，和协议的属性列表。

objc_property_t * class_copyPropertyList（Class cls，unsigned int * outCount）
objc_property_t * protocol_copyPropertyList（Protocol * proto，unsigned int * outCount）

可以通过下面两个方法，传入指定的Class和propertyName，获取对应的objc_property_t属性结构体。

objc_property_t class_getProperty（Class cls，const char * name）
objc_property_t protocol_getProperty（Protocol * proto，const char * name，BOOL isRequiredProperty，BOOL isInstanceProperty）

分析实例变量

对象间关系

在OC中绝大多数类都是继承自NSObject的(NSProxy例外)，类与类之间都会存在继承关系。通过子类创建对象时，继承链中所有成员变量都会存在对象中。

例如下图中，父类是UIViewController，具有一个view属性。子类UserCenterViewController继承自UIViewController，并定义了两个新属性。这时如果通过子类创建对象，就会同时包含着三个实例变量。

对象间关系

但是类的结构在编译时都是固定的，如果想要修改类的结构需要重新编译。如果上线后用户安装到设备上，新版本的iOS系统中更新了父类的结构，也就是UIViewController的结构，为其加入了新的实例变量，这时用户更新新的iOS系统后就会导致问题。

对象间关系

原来UIViewController的结构中增加了childViewControllers属性，这时候和子类的内存偏移就发生冲突了。只不过，Runtime有检测内存冲突的机制，在类生成实例变量时，会判断实例变量是否有地址冲突，如果发生冲突则调整对象的地址偏移，这样就在运行时解决了地址冲突的问题。

内存布局

类的本质是结构体，在结构体中包含一些成员变量，例如method list、ivar list等，这些都是结构体的一部分。method、protocol、property的实现这些都可以放到类中，所有对象调用同一份即可，但对象的成员变量不可以放在一起，因为每个对象的成员变量值都是不同的。

创建实例对象时，会根据其对应的Class分配内存，内存构成是ivars+isa_t。并且实例变量不只包含当前Class的ivars，也会包含其继承链中的ivars。ivars的内存布局在编译时就已经决定，运行时需要根据ivars内存布局创建对象，所以Runtime不能动态修改ivars，会破坏已有内存布局。

内存布局

(上图中，x表示地址对其后的空位)

以上图为例，创建的对象中包含所属类及其继承者链中，所有的成员变量。因为对象是结构体，所以需要进行地址对其，一般OC对象的大小都是8的倍数。

也不是所有对象都不能动态修改ivars，如果是通过runtime动态创建的类，是可以修改ivars的。这个在后面会有讲到。

ivar读写

实例变量的isa_t指针会指向其所属的类，对象中并不会包含method、protocol、property、ivar等信息，这些信息在编译时都保存在只读结构体class_ro_t中。在class_ro_t中ivars是const只读的，在image load时copy到class_rw_t中时，是不会copy ivars的，并且class_rw_t中并没有定义ivars的字段。

在访问某个成员变量时，直接通过isa_t找到对应的objc_class，并通过其class_ro_t的ivar list做地址偏移，查找对应的对象内存。正是由于这种方式，所以对象的内存地址是固定不可改变的。

方法传参

当调用实例变量的方法时，会通过objc_msgSend()发起调用，调用时会传入self和SEL。函数内部通过isa在类的内部查找方法列表对应的IMP，传入对应的参数并发起调用。如果调用的方法时涉及到当前对象的成员变量的访问，这时候就是在objc_msgSend()内部，通过类的ivar list判断地址偏移，取出ivar并传入调用的IMP中的。

调用super的方式时则调用objc_msgSendSuper()函数实现，调用时将实例变量的父类传进去。但是需要注意的是，调用objc_msgSendSuper函数时传入的对象，也是当前实例变量，所以是在向自己发送父类的消息。具体可以看一下[self class]和[super class]的结果，结果应该都是一样的。

在项目中经常会通过[super xxx]的方式调用父类方法，这是因为需要先完成父类的操作，当然也可以不调用，视情况而定。以经常见到的自定义init方法中，经常会出现if (self = [super init])的调用，这是在完成自己的初始化之前先对父类进行初始化，否则只初始化自身可能会存在问题。在调用[super init]时如果返回nil，则表示父类初始化失败，这时候初始化子类肯定会出现问题，所以需要做判断。

参考资料

Apple Runtime Program Guild
维基百科-Objective-C
维基百科-Clang
维基百科-GCC(GNU)

苹果开源代码不建议去Github，上面的版本一般更新不及时，建议去苹果的开源官网。
Apple Opensource

简书由于排版的问题，阅读体验并不好，布局、图片显示、代码等很多问题。所以建议到我Github上，下载Runtime PDF合集。把所有Runtime文章总计九篇，都写在这个PDF中，而且左侧有目录，方便阅读。

Runtime PDF

下载地址：Runtime PDF
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