2021-04-17 20:50 已编辑河南工业大学 iOS开发

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iOS进阶-详细介绍runtime

参考：

可以看到，这个结构体只有一个字体，即指向其类的isa指针。这样，当我们向一个Objective-C对象发送消息时，运行时库会根据实例对象的isa指针找到这个实例对象所属的类。Runtime库会在类的方法列表及父类的方法列表中去寻找与消息对应的selector指向的方法，找到后即运行这个方法。

2.Class

Class对象也定义在Runtime的头文件中,查看objc/runtime.h中的objc_class结构体：
Objective-C中,类是由Class类型来表示的，它实际上是一个指
向objc_class结构体的指针。

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class { 
    Class isa                                 OBJC_ISA_AVAILABILITY; 
#if !__OBJC2__
    Class super_class                         OBJC2_UNAVAILABLE;   // 父类
    const char *name                          OBJC2_UNAVAILABLE;   // 类名
    long version                              OBJC2_UNAVAILABLE;   // 类的版本信息，默认为0
    long info                                 OBJC2_UNAVAILABLE;   // 类信息，供运行期使用的一些位标识
    long instance_size                        OBJC2_UNAVAILABLE;   // 该类的实例变量大小
    struct objc_ivar_list *ivars              OBJC2_UNAVAILABLE;   // 该类的成员变量链表
    struct objc_method_list **methodLists     OBJC2_UNAVAILABLE;   // 方法定义的链表
    struct objc_cache *cache                  OBJC2_UNAVAILABLE;   // 方法缓存
    struct objc_protocol_list *protocols      OBJC2_UNAVAILABLE;   // 协议链表
#endif
}

下面说下Class的结构体中的几个主要变量：

1.isa：
结构体的首个变量也是isa指针，这说明Class本身也是Objective-C中的对象。isa指针非常重要, 对象需要通过isa指针找到它的类, 类需要通过isa找到它的元类. 这在调用实例方法和类方法的时候起到重要的作用.
2.super_class：
结构体里还有个变量是super_class，它定义了本类的超类。类对象所属类型（isa指针所指向的类型）是另外一个类，叫做“元类”。
3.ivars：
成员变量列表，类的成员变量都在ivars里面。
4.methodLists：
方法列表，类的实例方法都在methodLists里，类方法在元类的methodLists里面。methodLists是一个指针的指针，通过修改该指针指向指针的值，就可以动态的为某一个类添加成员方法。这也就是Category实现的原理，同时也说明了Category只可以为对象添加成员方法，不能添加成员变量。
5.cache：
方法缓存列表，objc_msgSend（下文详解）每调用一次方法后，就会把该方法缓存到cache列表中，下次调用的时候，会优先从cache列表中寻找，如果cache没有，才从methodLists中查找方法。提高效率。

元类(Meta Class)

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)。既然是对象，那么它也是一个objc_object指针，它包含一个指向其类的一个isa指针。那么，这个isa指针指向什么呢？
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，meta-class中存储着一个类的所有类方法。
所以，调用类方法的这个类对象的isa指针指向的就是meta-class
当我们向一个对象发送消息时，runtime会在这个对象所属的这个类的方法列表中查找方法；而向一个类发送消息时，会在这个类的meta-class的方法列表中查找。

再深入一下，meta-class也是一个类，也可以向它发送一个消息，那么它的isa又是指向什么呢？为了不让这种结构无限延伸下去，Objective-C的设计者让所有的meta-class的isa指向基类的meta-class，以此作为它们的所属类。

即，任何NSObject继承体系下的meta-class都使用NSObject的meta-class作为自己的所属类，而基类的meta-class的isa指针是指向它自己。

通过上面的描述，再加上对objc_class结构体中super_class指针的分析，我们就可以描绘出类及相应meta-class类的一个继承体系了，如下代码

image

看图说话：
上图中：superclass指针代表继承关系，isa指针代表实例所属的类。
类也是一个对象，它是另外一个类的实例，这个就是“元类”，元类里面保存了类方法的列表，类里面保存了实例方法的列表。实例对象的isa指向类，类对象的isa指向元类，元类对象的isa指针指向一个“根元类”（root metaclass）。所有子类的元类都继承父类的元类，换而言之，类对象和元类对象有着同样的继承关系。

1.Class是一个指向objc_class结构体的指针，而id是一个指向objc_object结构体的指针，其中的isa是一个指向objc_class结构体的指针。其中的id就是我们所说的对象，Class就是我们所说的类。
2.isa指针不总是指向实例对象所属的类，不能依靠它来确定类型，而是应该用isKindOfClass:方法来确定实例对象的类。因为KVO的实现机制就是将被观察对象的isa指针指向一个中间类而不是真实的类。

3.SEL

//// http://www.jianshu.com/p/3e050ec3b759
SEL是选择子的类型，选择子指的就是方法的名字。在Runtime的头文件中的定义如下：

typedef struct objc_selector *SEL;

它就是个映射到方法的C字符串，SEL类型代表着方法的签名，在类对象的方法列表中存储着该签名与方法代码的对应关系，每个方法都有一个与之对应的SEL类型的对象，根据一个SEL对象就可以找到方法的地址，进而调用方法。
////http://www.jianshu.com/p/adf0d566c887
SEL又叫选择器，是表示一个方法的selector的指针，其定义如下：
方法的selector用于表示运行时方法的名字。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。
两个类之间，只要方法名相同，那么方法的SEL就是一样的，每一个方法都对应着一个SEL。所以在Objective-C同一个类(及类的继承体系)中，不能存在2个同名的方法，即使参数类型不同也不行
如在某一个类中定义以下两个方法: 错误

- (void)setWidth:(int)width;
- (void)setWidth:(double)width;

当然，不同的类可以拥有相同的selector，这个没有问题。不同类的实例对象执行相同的selector时，会在各自的方法列表中去根据selector去寻找自己对应的IMP。
工程中的所有的SEL组成一个Set集合，如果我们想到这个方法集合中查找某个方法时，只需要去找到这个方法对应的SEL就行了，SEL实际上就是根据方法名hash化了的一个字符串，而对于字符串的比较仅仅需要比较他们的地址就可以了，可以说速度上无语伦比！
本质上，SEL只是一个指向方法的指针（准确的说，只是一个根据方法名hash化了的KEY值，能唯一代表一个方法），它的存在只是为了加快方法的查询速度。
@selector()就是取类方法的编号
通过下面三种方法可以获取SEL:
a、sel_registerName函数
b、Objective-C编译器提供的@selector()
c、NSSelectorFromString()方法

4.Method

Method代表类中的某个方法的类型，在Runtime的头文件中的定义如下：

typedef struct objc_method *Method;

objc_method的结构体定义如下：

struct objc_method{
    SEL method_name      OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法名
    char *method_types   OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp       OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法实现
}

1.method_name：方法名。
2.method_types：方法类型，主要存储着方法的参数类型和返回值类型。
3.IMP：方法的实现，函数指针。（下文详解）
class_copyMethodList(Class cls, unsigned int *outCount)可以使用这个方法获取某个类的成员方法列表。

////
Method用于表示类定义中的方法
我们可以看到该结构体中包含一个SEL和IMP，实际上相当于在SEL和IMP之间作了一个映射。有了SEL，我们便可以找到对应的IMP，从而调用方法的实现代码。

5.Ivar

Ivar代表类中实例变量的类型，在Runtime的头文件中的定义如下：

typedef struct objc_ivar *Ivar;

objc_ivar的定义如下：

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
}

class_copyIvarList(Class cls, unsigned int *outCount) 可以使用这个方法获取某个类的成员变量列表。

6.objc_property_t

objc_property_t是属性，在Runtime的头文件中的的定义如下：

typedef struct objc_property *objc_property_t;

class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount) 可以使用这个方法获取某个类的属性列表。

7.IMP

IMP在Runtime的头文件中的的定义如下：

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

IMP是一个函数指针，它是由编译器生成的。当你发起一个消息后，这个函数指针决定了最终执行哪段代码。
////
IMP实际上是一个函数指针，指向方法实现的地址。
其定义如下:

id (*IMP)(id, SEL,...)

第一个参数：是指向self的指针(如果是实例方法，则是类实例的内存地址；如果是类方法，则是指向元类的指针)
第二个参数：是方法选择器(selector)
接下来的参数：方法的参数列表。

前面介绍过的SEL就是为了查找方法的最终实现IMP的。由于每个方法对应唯一的SEL，因此我们可以通过SEL方便快速准确地获得它所对应的IMP，查找过程将在下面讨论。取得IMP后，我们就获得了执行这个方法代码的入口点，此时，我们就可以像调用普通的C语言函数一样来使用这个函数指针了。

8.Cache

Cache在Runtime的头文件中的的定义如下：

typedef struct objc_cache *Cache

objc_cache的定义如下：

struct objc_cache {
    unsigned int mask                   OBJC2_UNAVAILABLE;
    unsigned int occupied               OBJC2_UNAVAILABLE;
    Method buckets[1]                   OBJC2_UNAVAILABLE;
};

每调用一次方法后，不会直接在isa指向的类的方法列表（methodLists）中遍历查找能够响应消息的方法，因为这样效率太低。它会把该方法缓存到cache列表中，下次的时候，就直接优先从cache列表中寻找，如果cache没有，才从isa指向的类的方法列表（methodLists）中查找方法。提高效率。

三、runtime的消息转发机制流程

[someObject msg_send([someObject class],SEL)]步骤:

第一步：检测selector是否可以被忽略，Mac OS X 系统有垃圾回收机制，不会理会retain ,release；
第二步： 检测selctor 对应的Target是否为nill,Rumtime 允许我们对一个nill对象执行任何方法，不会crash;
第三步：当前someObject对象通过isa指针找到对应的objc_Class（调用实例方法）或者objc_metaClass（调用类方法时）;
第四步：在objc_Class内部的cache里通过SEL选择子进行匹配，如果找到对应的objc_Mehod，就用objc_Mehod内部的method_IMP找到对应的c函数执行，没有进入下一步；
第五步：在objc_Class内部的method_list里通过SEL选择子进行匹配，如果找到对应的objc_Mehod，就用objc_Mehod内部的method_IMP找到对应的c函数执行，没有进入下一步；
第六步： 通过objc_Class内部的super_class只找到父类，分类去对应的cache、method list寻找，找到就直接执行；没有继续下一步；
第七步：通过父类的root类去找，分类去对应的cache、method list寻找，找到就直接执行；没有继续下一步；
第八步: 如果没有找到，就会执行消息转发（message forwarding）；

详细介绍消息转发步骤:

image.png

rumtime 在发送消息没有找对用对应目标对象需要执行的任务时，允许我们进行3次修正：

方法动态解析：目标通过自己是想新的IMP函数和resolveInstenceMethod或者resolveClassMethod ; 如果这两个方法参数都是没有找到对应地址的SEL变量，如果实现类存在对应的方法，首先runtime 为当前的SEL变量重新设置IMP指针，并且返回Yes,rumtime会重新执行消息发送；

void fooMethod(id obj, SEL _cmd)  
{
    NSLog(@"Doing foo");
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)aSEL
{
    if(aSEL == @selector(foo:)){
        class_addMethod([self class], aSEL, (IMP)fooMethod, "v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod];
}

快速转发：找到实现 forwaringTargetingSelector ,参数是没有执行的SEL ,forwaringTargetingSelector内部如果如果自己存在SEL一样的函数，就会将当前的对象返回出去，runtime会重新想当前新的目标对象发送消息；

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if(aSelector == @selector(foo:)){
        return [[BackupClass alloc] init];
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

正常转发：同快速转发都是想新的目标对象发送消息，但是可以代替快速转发做更多的事。
forwardInvocation: 方法就是一个不能识别消息的分发中心，将这些不能识别的消息转发给不同的消息对象，或者转发给同一个对象，再或者将消息翻译成另外的消息，亦或者简单的“吃掉”某些消息，因此没有响应也不会报错。例如：我们可以为了避免直接闪退，可以当消息没法处理时在这个方法中给用户一个提示，也不失为一种友好的用户体验。
其中，参数invocation是从哪来的？在forwardInvocation:消息发送前，runtime系统会向对象发送methodSignatureForSelector:消息，并取到返回的方法签名用于生成NSInvocation对象。所以重写forwardInvocation:的同时也要重写methodSignatureForSelector:方法，否则会抛出异常。当一个对象由于没有相应的方法实现而无法响应某个消息时，运行时系统将通过forwardInvocation:消息通知该对象。每个对象都继承了forwardInvocation:方法，我们可以将消息转发给其它的对象。

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation {
    SEL sel = invocation.selector;
    if([alternateObject respondsToSelector:sel]) {
        [invocation invokeWithTarget:alternateObject];
    } else {
        [self doesNotRecognizeSelector:sel];
    }
}

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    NSMethodSignature *methodSignature = [super methodSignatureForSelector:aSelector];
    if (!methodSignature) {
        methodSignature = [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:*"];
    }
    return methodSignature;
}

这里附加NSObject+CrashHandle代码

#import "NSObject+CrashLogHandle.h"

@implementation NSObject (CrashLogHandle)

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    //方法签名
    return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:@"];
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    NSLog(@"NSObject+CrashLogHandle---在类:%@中 未实现该方法:%@",NSStringFromClass([anInvocation.target class]),NSStringFromSelector(anInvocation.selector));
}

@end

四、runtime 常用API 总结

第一类：为对象工作的API

object_getIvar : 获取对象的某个实例变量的值；
object_setIvar : 设置对象的某个实例变量的值；
object_getClassName : 获取当前对象的isa所指的类的名字；NSStringFromClass(Class )
object_getClass : 获取当前对象的isa所指的类；
object_setClass : 设置对象的isa所指的类；

第二类：为Class工作的API

class_getName: 获取Class变量的名字；相当于NSStringFromClass(Class )
class_getSupperClass : 获取父类;
class_isMetaClass : 判断是否是元类；
class_addIvar: 为class添加成员变量；这个步骤要在 alloc之后register之前才有效果；
class_add_Method : 为当前的类添加实例方法
class_getInstanceMethod 获取当前类的实例方法
class_getClassMethod 获取当前类的实例方法
class——copyMethodList 获取当前类的所有的方法
class_replaceMethod 替换某个类的方法签名对应的实现
class_respondsToSelector 判断某个类是否存在SEL对应的函数

第三类：添加类相关

objc_allocateClassPair 创建一个类里面要穿入你要继承的类Class，新的类名c字符串，大小
objc_disposeClassPair 销毁一个类和它对应的是元类
objc_registerClassPair 将创建的类假如内存，一般在添加完方法、成员变量、属性、协议、分类、扩展后使用

实例化一个类相关

class_createInstance 默认在malloc memory zone.

objc_destructInstance 销毁一个实例对象

成员变量相关

ivar_getName: 获取 Ivar的变量名字
ivar_getTypeEncoding：获取 Ivar的变量类型

观象对象相关

objc_setAssociatedObject ：设置一个对象的关联对象，让源对象持有关联对象参数 1 : 源对象 2、唯一的关键一是一个void的指针变量 3、关联对象 4关联规则
objc_getAssociatedObject ：通过关键字获取一个对象它所有持有对象参数： 1、目标对象 2、关联对象的关键字
objc_removeAssociatedObjects 移除目标对象所有关联的对象参数：目标对象

发送消息相关 ****比较关键的

objc_msgSend : 向目标对象发送函数调用消息参数：1、目标对象 2、SEL函数唯一签名有关调用过程上面介绍过

runtime 内部相关的结构对象

An opaque type that represents an Objective-C class.

Method

An opaque type that represents a method in a class definition.

Ivar

An opaque type that represents an instance variable.

Category

An opaque type that represents a category.

objc_property_t

An opaque type that represents an Objective-C declared property.

IMP

A pointer to the start of a method implementation.

SEL

Defines an opaque type that represents a method selector.

objc_method_description

Defines an Objective-C method.

objc_method_list

Contains an array of method definitions.

Deprecated

objc_cache

Performance optimization for method calls. Contains pointers to recently used methods.

objc_protocol_list

Represents a list of formal protocols.

objc_property_attribute_t

Defines a property attribute.

五、runtime使用场景

5.1. kvo

介于传统的kvo实现方式过于的死板，只能通过代理方法实现监听回调，因此，我自己用 runtime 写了一个NSOBject+ggzKVO的分类，主要实现：一层属性监听和多层属性监听 2、监听回调方法定义函数回调、block实现回调
实现原理：
1、创建目标类的派生类，将派生类的isa指针指向目标类；
2、将观察关系的信息保存在一个字典里，字典放在集成在NSObject的对象里；
3、重写父类的setter方法，在改变父类的值之前获取旧值，之后获取新的值，然后获取观察信息，获取当前key对应的对调函数或者block进行回调
说着简单，不如自己手动写一下

github-custom-runtime-kvo 连接 : https://github.com/ge123/test-runtime-kvo

5.2. kvc ：
setValue forKey:(NSString*) key 查找顺序：去查找对应的set<key>方法，如果没有找到如果本类的accessInstanceVariablesDirectly属性返回YES,则按 _<key>、_is<key> 、key、is<key>的顺序去查找，如果最后还是没找到，就回调setValue:forUndefinedKey方法；我们可以重写setValue:forUndefinedKey方法进行防止报错；
github-custom-runtime-kvo 连接 : https://github.com/ge123/runtime-kvc

5.3. JSON转Model
github-custom-runtime-kvo 连接 : https://github.com/ge123/runtime--

5.4. categary 实现添加属性成员变量
github-custom-runtime-kvo 连接 : https://github.com/ge123/runtime-categary--