iOS Runtime 详解 基础篇

阅读本文将了解下面几个问题：

  1. 什么是 Runtime？
  2. 消息机制的基本原理
  3. Runtime中的数据结构
  4. Runtime消息发送原理
  5. 消息发送流程总结

1 什么是 Runtime？

C/C++ 是静态语言的代表，它们在编译阶段就已经确定好了要调用的函数，以及函数的实现，如果函数未实现就会编译报错。

Objective-C 是一个动态语言，在编译阶段并不知道真正调用的是哪个函数。只有在运行时才知道具体会发生什么。

Objective-C 的动态性，决定了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。这个运行时系统就是Runtime，它基本上是用C和汇编写的一套API，这个库使C语言有了面向对象的能力。

2 消息机制的基本原理

OC的方法调用都是类似[receiver selector]的形式，其实每次都是一个运行时消息发送过程。

  1. 编译阶段：[receiver selector]方法被编译器转化：
    1.objc_msgSend(receiver，selector)（不带参数）
    2.objc_msgSend(recevier，selector，org1，org2，…)（带参数）

  2. 运行时阶段：消息接收者recever寻找对应的selector：
    1.recever能找到对应的selector，直接执行接收receiver对象的selector方法。
    2.recever找不到对应的selector，消息被转发或者临时向recever添加这个selector对应的实现内容，否则崩溃。

OC调用方法[receiver selector]，编译阶段确定了要向哪个接收者发送message消息，但是接收者如何响应决定于运行时的判断。

Objective-C代码在编译和运行阶段会被转化为Runtime方式运行，Objective-C类、对象和方法等都对应了C中的结构体，我们来看一下它们是如何定义的。

3 Runtime中的数据结构

Runtime代码如何查看呢，我们可以通过下面的方式：

1.导入下面的头文件，然后Command +鼠标右键点击，即可进入Runtime的源码文件。

#import <objc/runtime.h>

2.我们也可以通过组合键 [Cmd + Shift + O ] ，搜索相应的文件进入。

下面我们就分析一下Objective-C代码在C中对应的结构。

3.1 objc_msgSend

上面也提到过，Objective-C方法调用在编译时都会转化为对应C函数的调用：objc_msgSend(receiver，selector)。

3.2 Object（实例）

objc/objc.h中，我们来看一下Object（对象），是如何定义的：

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

我们知道id是一种通用的对象类型，它可以指向属于任何类的对象。在这里id被定义为一个指向 objc_object结构体的指针。

而objc_object结构体只包含一个Class类型的isa 指针，也就是说，一个Object（对象）唯一保存的就是它所属Class（类） 的地址。下面我们看一下 Class是如何定义的。

3.3 Class（类）

在objc/objc.h中，可以看到Class是一个指向objc_class结构体的指针：

typedef struct objc_class *Class;

在objc/runtime.h中，是objc_class结构体的具体定义：

struct objc_class {
        Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

    #if !__OBJC2__
        Class _Nullable super_class                                 // 指向父类的指针;
        const char * _Nonnull name                                  // 类名;
        long version                                                // 类的版本信息，默认为 0;
        long info                                                   // 类的信息，供运行期使用的一些位标识;
        long instance_size                                          // 该类的实例变量大小;
        struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                     // 该类的实例变量列表;
        struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists // 方法定义列表 ;
        struct objc_cache * _Nonnull cache                          // 方法缓存;
        struct objc_protocol_list * _Nullable protocols             // 遵守的协议列表;
    #endif

    } OBJC2_UNAVAILABLE;

我们可以看到objc_class结构体中定义了很多的成员变量：指向父类的指针、类的名字、版本、实例大小、实例变量列表、方法列表、缓存、遵守的协议列表等。这个结构体存放的数据称为元数据(metadata)。

我们还能注意到objc_class结构体中也有一个isa指针。这就说明了Class本身其实也是一个对象，因此我们称之为类对象，类对象在编译期产生，用于创建实例对象，是单例。

3.4 元类(Meta Class)：

我们可以发现实例对象和类对象结构体中都拥有一个isa指针，实例对象的isa指针指向他所属的类（Class），那么类对象的isa指针指向哪儿里呢？

类对象的isa指针指向了元类，元类(Meta Class)是一个类对象的类。在上面我们提到，所有的类自身也是一个对象，我们可以向这个对象发送消息(即调用类方法)。
为了调用类方法，这个类的isa指针必须指向一个包含这些类方法的一个objc_class结构体。这就引出了meta-class的概念，元类中保存了创建类对象以及类方法所需的所有信息。

3.5 实例对象、类、元类之间的关系

上面，我们已经了解了 实例对象（Object）、类（Class）、Meta Class（元类） 的基本概念。

下面，我们通过一张图，来清晰的了解下它们之间的继承关系，以及isa的指向关系：

isa指针指向：

  1. 实例对象的isa指针指向了对应的类对象，而类对象的isa指针指向了对应的元类。
  2. 所有元类的isa指针最终指向了NSObject元类，因此NSObject元类也被称为根元类。根元类的isa指针又指向了自己。

super_class指针指向：

  1. 类对象的super_class指针指向了父类对象，父类对象又指向了根类对象，根类对象最终指向了nil。
  2. 元类的super_class指针指向了父元类。父元类又指向了根元类。而根元类的super_class指针指向了根类对象，最终指向了nil。

3.6 Method（方法）

object_class中methodLists（方法列表）存放的元素就是Method（方法）。

在objc/runtime.h中，看下定义：

/// An opaque type that represents a method in a class definition.
typedef struct objc_method *Method;

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name                    // 方法名;
    char * _Nullable method_types               // 方法类型;
    IMP _Nonnull method_imp                     // 方法实现;
}

下面，我们来了解下它的三个成员变量。

1. SEL（方法名）

/// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;

SEL是一个指向objc_selector结构体的指针，然而我们并不能在Runtime中找到它的结构体的详细定义。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。

2. IMP（方法实现）

/// A pointer to the function of a method implementation. 
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...); 
#endif

IMP的实质是一个函数指针，它指向了方法实现的首地址。IMP用来找到函数地址，然后执行函数。

3. char * method_types （方法类型）

方法类型method_types是个字符串，用来存储方法的参数类型和返回值类型。

到这里，Method的结构就已经很清楚了，Method将SEL（方法名） 和IMP（函数指针）关联起来，当对一个对象发送消息时，会通过给出的SEL（方法名）去找到IMP（函数指针），然后执行。

3.7 类缓存(objc_cache)

objc_cache用于缓存最近使用的方法。一个类只有一部分方法是常用的，每次调用一个方法之后，这个方法就被缓存到objc_cache中，下次调用时runtime会先在objc_cache中查找，如果objc_cache中没有，才会去methodList中查找。相比直接在类的方法列表中遍历查找，效率更高。

4 深入理解Rutime消息发送

我们在分析了OC语言对应的底层C结构之后，现在可以进一步理解运行时的消息发送机制。先前讲到，OC调用方法被编译转化为如下的形式：

id _Nullable objc_msgSend(id _Nullable self, SEL _Nonnull op, ...)

最后一步中我们提到：若找不到对应的selector，消息被转发或者临时向recevier添加这个selector应的实现方法，否则就会发生崩溃。

当一个方法找不到的时候，Runtime提供了 消息动态解析、消息接受者重定向、消息重定向 三种方法来处理，这三种方法的调用关系如下图：

4.1 动态方法解析(Dynamic Method Resolution)

所谓动态解析，我们可以理解为通过cache和方法列表没有找到方法时，Runtime为我们提供一次动态添加方法实现的机会，主要用到的方法如下：

//OC方法：
//类方法未找到时调起，可于此添加类方法实现
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel
//实例方法未找到时调起，可于此添加实例方法实现
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel

//Runtime方法：
/**
 运行时方法：向指定类中添加特定方法实现的操作
 @param cls 被添加方法的类
 @param name selector方法名
 @param imp 指向实现方法的函数指针
 @param types imp函数实现的返回值与参数类型
 @return 添加方法是否成功
 */
BOOL class_addMethod(Class _Nullable cls,
                     SEL _Nonnull name,
                     IMP _Nonnull imp,
                     const char * _Nullable types)

下面使用一个示例来说明动态解析：ViewController类中声明方法却未添加实现，我们通过Runtime动态方法解析的操作为其添加方法实现，具体代码如下：

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

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    [[self class] performSelector:@selector(run)];
    [self performSelector:@selector(walk)];
}

//重写父类方法：处理类方法
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel {
    if(sel == @selector(run)){
        class_addMethod(object_getClass(self), sel, class_getMethodImplementation(object_getClass(self), @selector(ssl_run)), "v@");
        return YES;   //添加函数实现，返回YES
    }
    return [class_getSuperclass(self) resolveClassMethod:sel];
}

//重写父类方法：处理实例方法
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if(sel == @selector(walk)){
        class_addMethod([self class], sel, class_getMethodImplementation([self class], @selector(ssl_walk)), "v@");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

+ (void)ssl_run {
    NSLog(@"%s ",__func__);
}

- (void)ssl_walk {
    NSLog(@"%s ",__func__);
}

运行程序，代码没有崩溃，并打印如下结果：

+[ViewController ssl_run]
-[ViewController ssl_walk]

class_addMethod 方法中的特殊参数“v@”，具体可参考官方文档中关于 Type Encodings 的说明：点击查看

这里+resolveInstanceMethod:或者 +resolveClassMethod:无论是返回YES，还是返回NO，只要其中没有添加其他函数实现，Runtime都会进行下一步：消息接受者重定向。

4.2 消息接收者重定向

这一步会调用下面两个方法：

//重定向类方法的消息接收者，返回一个类
+ (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector

//重定向实例方法的消息接受者，返回一个实例对象
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector

如果当前对象实现了这两个方法，Runtime就会调用这两个方法，允许我们将消息的接受者转发给其他对象。

下面使用一个示例来说明消息接收者的重定向：

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

@interface Person : NSObject

@end

@implementation Person

+ (void)run {
    NSLog(@"%s ",__func__);
}

- (void)walk {
    NSLog(@"%s ",__func__);
}

@end

@interface ViewController ()

@property (nonatomic, strong) Person *person;

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    [[self class] performSelector:@selector(run)];
    [self performSelector:@selector(walk)];
}

//重定向类方法：返回一个类对象
+ (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(run)) {
         
        return [Person class];
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

//重定向实例方法：返回类的实例
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(walk)) {
        return self.person;
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

- (Person *)person {
    if (!_person) {
        _person = [Person new];
    }
    return _person;
}

@end

代码没有崩溃，并打印如下结果：

+[ViewController ssl_run]
-[ViewController ssl_walk]

动态方法解析阶段无效时，我们可以通过forwardingTargetForSelector修改消息的接收者，该方法返回参数是一个对象，如果这个对象是非nil，非self，系统会将运行的消息转发给这个对象执行。否则，进行下一步：消息重定向。

4.3 消息重定向

这一步中首先会发送-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。

看下方法的定义：

// 获取类方法函数的参数和返回值类型，返回签名
+ (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;

// 类方法消息重定向
+ (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation；

// 获取对象方法函数的参数和返回值类型，返回签名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;

// 对象方法消息重定向
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation；

举个例子：

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

@interface Person : NSObject

@end

@implementation Person

- (void)walk {
    NSLog(@"%s ",__func__);
}

@end

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    // 执行walk函数
    [self performSelector:@selector(walk)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    return YES;// 返回YES，进入下一步转发
}

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    return nil;// 返回nil，进入下一步转发
}

// 获取函数的参数和返回值类型，返回签名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"walk"]) {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];// 签名，进入forwardInvocation
    }
    
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

// 消息重定向
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    SEL sel = anInvocation.selector;// 从anInvocation中获取消息

    Person *p = [Person new];
    if([p respondsToSelector:sel]) {
        [anInvocation invokeWithTarget:p];// 将消息转发给其他对象处理
    }
    else {
        [self doesNotRecognizeSelector:sel];// 报错，代码崩溃
    }
}

@end

代码没有崩溃，并打印如下结果：

-[Person walk]

这一步中，通过签名，Runtime生成了一个对象anInvocation，发送给了forwardInvocation，我们在forwardInvocation方法里面让Person对象去执行了walk函数。

以上就是Runtime的三次转发流程。

5 消息发送流程总结

调用[receiver selector]后，进行的流程：

  1. 编译阶段：[receiver selector]方法被编译器转化：

    1. objc_msgSend(receiver，selector)（不带参数）。
    2. objc_msgSend(recevier，selector，org1，org2，…)（带参数）。

  2. 运行时阶段：recevier寻找对应的selector：

    1. 通过recevier的isa指针找到recevier的class（类）。
    2. 在Class（类）的cache（方法缓存）中寻找对应的selector。
    3. 如果在cache（方法缓存）中没有找到对应的 selector ，就继续在Class（类）的methodList（方法列表）中查找，如果找到，缓存到cache 中，并返回selector。
    4. 如果在class（类）中没有找到这个selector，就继续在它的superclass（父类）中寻找。
    5. 一旦找到selector，直接执行相关联的IMP（方法实现）。
    6. 若找不到对应的selector，Runtime系统进入消息转发阶段。

  3. 消息转发阶段：

    1. 动态解析：通过重写+resolveInstanceMethod: 或者+resolveClassMethod:方法，利用 class_addMethod方法添加其他函数实现。
    2. 消息接受者重定向：如果上一步没有添加其他函数实现，可在当前对象中利用 forwardingTargetForSelector:方法将消息的接受者转发给其他对象。
    3. 消息重定向：如果上一步返回值为nil，则利用 methodSignatureForSelector:方法获取函数的参数和返回值类型。
      1. 如果methodSignatureForSelector:返回nil。则 Runtime系统会发出doesNotRecognizeSelector:消息，程序也就崩溃了。
      2. 如果methodSignatureForSelector: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。

参考资料

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