iOS开发-Runtime详解（简书）
簡介
Runtime 又叫運行時，是一套底層的 C 語言 API，其為 iOS 內部的核心之一，我們平時編寫的 OC 代碼，底層都是基于它來實現的。比如：
[receiver message]; // 底層運行時會被編譯器轉化為： objc_msgSend(receiver, selector) // 如果其還有參數比如： [receiver message:(id)arg...]; // 底層運行時會被編譯器轉化為： objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)以上你可能看不出它的價值，但是我們需要了解的是 Objective-C 是一門動態語言，它會將一些工作放在代碼運行時才處理而并非編譯時。也就是說，有很多類和成員變量在我們編譯的時是不知道的，而在運行時，我們所編寫的代碼會轉換成完整的確定的代碼運行。
因此，編譯器是不夠的，我們還需要一個運行時系統(Runtime system)來處理編譯后的代碼。
Runtime 基本是用 C 和匯編寫的，由此可見蘋果為了動態系統的高效而做出的努力。蘋果和 GNU 各自維護一個開源的 Runtime 版本，這兩個版本之間都在努力保持一致。
點擊這里下載蘋果維護的開源代碼。
Runtime 的作用
Objc 在三種層面上與 Runtime 系統進行交互：
Objective-C 源代碼
多數情況我們只需要編寫 OC 代碼即可，Runtime 系統自動在幕后搞定一切，還記得簡介中如果我們調用方法，編譯器會將 OC 代碼轉換成運行時代碼，在運行時確定數據結構和函數。
通過 Foundation 框架的 NSObject 類定義的方法
Cocoa 程序中絕大部分類都是 NSObject 類的子類，所以都繼承了 NSObject 的行為。(NSProxy 類時個例外，它是個抽象超類)
一些情況下，NSObject 類僅僅定義了完成某件事情的模板，并沒有提供所需要的代碼。例如 -description 方法，該方法返回類內容的字符串表示，該方法主要用來調試程序。NSObject 類并不知道子類的內容，所以它只是返回類的名字和對象的地址，NSObject 的子類可以重新實現。
還有一些 NSObject 的方法可以從 Runtime 系統中獲取信息，允許對象進行自我檢查。例如：
- -class方法返回對象的類；
- -isKindOfClass: 和 -isMemberOfClass: 方法檢查對象是否存在于指定的類的繼承體系中(是否是其子類或者父類或者當前類的成員變量)；
- -respondsToSelector: 檢查對象能否響應指定的消息；
- -conformsToProtocol:檢查對象是否實現了指定協議類的方法；
- -methodForSelector: 返回指定方法實現的地址。
通過對 Runtime 庫函數的直接調用
Runtime 系統是具有公共接口的動態共享庫。頭文件存放于/usr/include/objc目錄下，這意味著我們使用時只需要引入objc/Runtime.h頭文件即可。
許多函數可以讓你使用純 C 代碼來實現 Objc 中同樣的功能。除非是寫一些 Objc 與其他語言的橋接或是底層的 debug 工作，你在寫 Objc 代碼時一般不會用到這些 C 語言函數。對于公共接口都有哪些，后面會講到。我將會參考蘋果官方的 API 文檔。
一些 Runtime 的術語的數據結構
要想全面了解 Runtime 機制，我們必須先了解 Runtime 的一些術語，他們都對應著數據結構。
SEL
它是selector在 Objc 中的表示(Swift 中是 Selector 類)。selector 是方法選擇器，其實作用就和名字一樣，日常生活中，我們通過人名辨別誰是誰，注意 Objc 在相同的類中不會有命名相同的兩個方法。selector 對方法名進行包裝，以便找到對應的方法實現。它的數據結構是：
typedef struct objc_selector *SEL;我們可以看出它是個映射到方法的 C 字符串，你可以通過 Objc 編譯器器命令@selector() 或者 Runtime 系統的 sel_registerName 函數來獲取一個 SEL 類型的方法選擇器。
注意：
不同類中相同名字的方法所對應的 selector 是相同的，由于變量的類型不同，所以不會導致它們調用方法實現混亂。
id
id 是一個參數類型，它是指向某個類的實例的指針。定義如下：
typedef struct objc_object *id; struct objc_object { Class isa; };以上定義，看到 objc_object 結構體包含一個 isa 指針，根據 isa 指針就可以找到對象所屬的類。
注意：
isa 指針在代碼運行時并不總指向實例對象所屬的類型，所以不能依靠它來確定類型，要想確定類型還是需要用對象的 -class 方法。
PS:KVO 的實現機理就是將被觀察對象的 isa 指針指向一個中間類而不是真實類型，詳見:KVO章節。
Class
typedef struct objc_class *Class;Class 其實是指向 objc_class 結構體的指針。objc_class 的數據結構如下：
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;從 objc_class 可以看到，一個運行時類中關聯了它的父類指針、類名、成員變量、方法、緩存以及附屬的協議。
其中 objc_ivar_list 和 objc_method_list 分別是成員變量列表和方法列表：
// 成員變量列表 struct objc_ivar_list {int ivar_count OBJC2_UNAVAILABLE; #ifdef __LP64__ int space OBJC2_UNAVAILABLE; #endif /* variable length structure */ struct objc_ivar ivar_list[1] OBJC2_UNAVAILABLE; } OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法列表 struct objc_method_list { struct objc_method_list *obsolete OBJC2_UNAVAILABLE; int method_count OBJC2_UNAVAILABLE; #ifdef __LP64__ int space OBJC2_UNAVAILABLE; #endif /* variable length structure */ struct objc_method method_list[1] OBJC2_UNAVAILABLE; }由此可見，我們可以動態修改 *methodList 的值來添加成員方法，這也是 Category 實現的原理，同樣解釋了 Category 不能添加屬性的原因。這里可以參考下美團技術團隊的文章：深入理解 Objective-C: Category。
objc_ivar_list 結構體用來存儲成員變量的列表，而 objc_ivar 則是存儲了單個成員變量的信息；同理，objc_method_list 結構體存儲著方法數組的列表，而單個方法的信息則由 objc_method 結構體存儲。
值得注意的時，objc_class 中也有一個 isa 指針，這說明 Objc 類本身也是一個對象。為了處理類和對象的關系，Runtime 庫創建了一種叫做 Meta Class(元類) 的東西，類對象所屬的類就叫做元類。Meta Class 表述了類對象本身所具備的元數據。
我們所熟悉的類方法，就源自于 Meta Class。我們可以理解為類方法就是類對象的實例方法。每個類僅有一個類對象，而每個類對象僅有一個與之相關的元類。
當你發出一個類似 [NSObject alloc](類方法) 的消息時，實際上，這個消息被發送給了一個類對象(Class Object)，這個類對象必須是一個元類的實例，而這個元類同時也是一個根元類(Root Meta Class)的實例。所有元類的 isa 指針最終都指向根元類。
所以當 [NSObject alloc] 這條消息發送給類對象的時候，運行時代碼 objc_msgSend() 會去它元類中查找能夠響應消息的方法實現，如果找到了，就會對這個類對象執行方法調用。
上圖實現是 super_class 指針，虛線時 isa 指針。而根元類的父類是 NSObject，isa指向了自己。而 NSObject 沒有父類。
最后 objc_class 中還有一個 objc_cache ，緩存，它的作用很重要，后面會提到。
Method
Method 代表類中某個方法的類型
typedef struct objc_method *Method;struct objc_method {SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE; IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE; }objc_method 存儲了方法名，方法類型和方法實現：
- 方法名類型為 SEL
- 方法類型 method_types 是個 char 指針，存儲方法的參數類型和返回值類型
- method_imp 指向了方法的實現，本質是一個函數指針
Ivar
Ivar 是表示成員變量的類型。
typedef struct objc_ivar *Ivar;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 }其中 ivar_offset 是基地址偏移字節
IMP
IMP在objc.h中的定義是：
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);它就是一個函數指針，這是由編譯器生成的。當你發起一個 ObjC 消息之后，最終它會執行的那段代碼，就是由這個函數指針指定的。而 IMP 這個函數指針就指向了這個方法的實現。
如果得到了執行某個實例某個方法的入口，我們就可以繞開消息傳遞階段，直接執行方法，這在后面 Cache 中會提到。
你會發現 IMP 指向的方法與 objc_msgSend 函數類型相同，參數都包含 id 和 SEL 類型。每個方法名都對應一個 SEL 類型的方法選擇器，而每個實例對象中的 SEL 對應的方法實現肯定是唯一的，通過一組 id和 SEL 參數就能確定唯一的方法實現地址。
而一個確定的方法也只有唯一的一組 id 和 SEL 參數。
Cache
Cache 定義如下：
typedef struct objc_cache *Cachestruct objc_cache {unsigned int mask /* total = mask + 1 */ OBJC2_UNAVAILABLE; unsigned int occupied OBJC2_UNAVAILABLE; Method buckets[1] OBJC2_UNAVAILABLE; };Cache 為方法調用的性能進行優化，每當實例對象接收到一個消息時，它不會直接在 isa 指針指向的類的方法列表中遍歷查找能夠響應的方法，因為每次都要查找效率太低了，而是優先在 Cache 中查找。
Runtime 系統會把被調用的方法存到 Cache 中，如果一個方法被調用，那么它有可能今后還會被調用，下次查找的時候就會效率更高。就像計算機組成原理中 CPU 繞過主存先訪問 Cache 一樣。
Property
typedef struct objc_property *Property; typedef struct objc_property *objc_property_t;//這個更常用可以通過class_copyPropertyList 和 protocol_copyPropertyList 方法獲取類和協議中的屬性：
objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount) objc_property_t *protocol_copyPropertyList(Protocol *proto, unsigned int *outCount)注意：
返回的是屬性列表，列表中每個元素都是一個 objc_property_t 指針
以上是一個 Person 類，有3個屬性。讓我們用上述方法獲取類的運行時屬性。
unsigned int outCount = 0;objc_property_t *properties = class_copyPropertyList([Person class], &outCount); NSLog(@"%d", outCount); for (NSInteger i = 0; i < outCount; i++) { NSString *name = @(property_getName(properties[i])); NSString *attributes = @(property_getAttributes(properties[i])); NSLog(@"%@--------%@", name, attributes); }打印結果如下：
2014-11-10 11:27:28.473 test[2321:451525] 3 2014-11-10 11:27:28.473 test[2321:451525] name--------T@"NSString",&,N,V_name 2014-11-10 11:27:28.473 test[2321:451525] age--------Ti,N,V_age 2014-11-10 11:27:28.474 test[2321:451525] weight--------Td,N,V_weightproperty_getName 用來查找屬性的名稱，返回 c 字符串。property_getAttributes 函數挖掘屬性的真實名稱和 @encode 類型，返回 c 字符串。
objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name) objc_property_t protocol_getProperty(Protocol *proto, const char *name, BOOL isRequiredProperty, BOOL isInstanceProperty)class_getProperty 和 protocol_getProperty 通過給出屬性名在類和協議中獲得屬性的引用。
消息
一些 Runtime 術語講完了，接下來就要說到消息了。體會蘋果官方文檔中的 messages aren’t bound to method implementations until Runtime。消息直到運行時才會與方法實現進行綁定。
這里要清楚一點，objc_msgSend 方法看清來好像返回了數據，其實objc_msgSend 從不返回數據，而是你的方法在運行時實現被調用后才會返回數據。下面詳細敘述消息發送的步驟(如下圖)：
在消息的傳遞中，編譯器會根據情況在 objc_msgSend ， objc_msgSend_stret ， objc_msgSendSuper ， objc_msgSendSuper_stret 這四個方法中選擇一個調用。如果消息是傳遞給父類，那么會調用名字帶有 Super 的函數，如果消息返回值是數據結構而不是簡單值時，會調用名字帶有 stret 的函數。
方法中的隱藏參數
疑問：
我們經常用到關鍵字 self ，但是 self 是如何獲取當前方法的對象呢？
其實，這也是 Runtime 系統的作用，self 實在方法運行時被動態傳入的。
當 objc_msgSend 找到方法對應實現時，它將直接調用該方法實現，并將消息中所有參數都傳遞給方法實現，同時，它還將傳遞兩個隱藏參數：
- 接受消息的對象(self 所指向的內容，當前方法的對象指針)
- 方法選擇器(_cmd 指向的內容，當前方法的 SEL 指針)
因為在源代碼方法的定義中，我們并沒有發現這兩個參數的聲明。它們時在代碼被編譯時被插入方法實現中的。盡管這些參數沒有被明確聲明，在源代碼中我們仍然可以引用它們。
這兩個參數中， self更實用。它是在方法實現中訪問消息接收者對象的實例變量的途徑。
這時我們可能會想到另一個關鍵字 super ，實際上 super 關鍵字接收到消息時，編譯器會創建一個 objc_super 結構體：
struct objc_super { id receiver; Class class; };這個結構體指明了消息應該被傳遞給特定的父類。 receiver 仍然是 self 本身，當我們想通過 [super class] 獲取父類時，編譯器其實是將指向 self 的 id 指針和 class 的 SEL 傳遞給了 objc_msgSendSuper 函數。只有在 NSObject 類中才能找到 class 方法，然后 class 方法底層被轉換為 object_getClass()， 接著底層編譯器將代碼轉換為 objc_msgSend(objc_super->receiver, @selector(class))，傳入的第一個參數是指向 self 的 id 指針，與調用 [self class] 相同，所以我們得到的永遠都是 self 的類型。因此你會發現：
// 這句話并不能獲取父類的類型，只能獲取當前類的類型名 NSLog(@"%@", NSStringFromClass([super class]));獲取方法地址
NSObject 類中有一個實例方法：methodForSelector，你可以用它來獲取某個方法選擇器對應的 IMP ，舉個例子：
void (*setter)(id, SEL, BOOL); int i;setter = (void (*)(id, SEL, BOOL))[target methodForSelector:@selector(setFilled:)]; for ( i = 0 ; i < 1000 ; i++ ) setter(targetList[i], @selector(setFilled:), YES);當方法被當做函數調用時，兩個隱藏參數也必須明確給出，上面的例子調用了1000次函數，你也可以嘗試給 target 發送1000次 setFilled: 消息會花多久。
雖然可以更高效的調用方法，但是這種做法很少用，除非時需要持續大量重復調用某個方法的情況，才會選擇使用以免消息發送泛濫。
注意：
methodForSelector:方法是由 Runtime 系統提供的，而不是 Objc 自身的特性
動態方法解析
你可以動態提供一個方法實現。如果我們使用關鍵字 @dynamic 在類的實現文件中修飾一個屬性，表明我們會為這個屬性動態提供存取方法，編譯器不會再默認為我們生成這個屬性的 setter 和 getter 方法了，需要我們自己提供。
@dynamic propertyName;這時，我們可以通過分別重載 resolveInstanceMethod: 和 resolveClassMethod: 方法添加實例方法實現和類方法實現。
當 Runtime 系統在 Cache 和類的方法列表(包括父類)中找不到要執行的方法時，Runtime 會調用 resolveInstanceMethod: 或 resolveClassMethod: 來給我們一次動態添加方法實現的機會。我們需要用 class_addMethod 函數完成向特定類添加特定方法實現的操作：
void dynamicMethodIMP(id self, SEL _cmd) {// implementation .... } @implementation MyClass + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)aSEL { if (aSEL == @selector(resolveThisMethodDynamically)) { class_addMethod([self class], aSEL, (IMP) dynamicMethodIMP, "v@:"); return YES; } return [super resolveInstanceMethod:aSEL]; } @end上面的例子為 resolveThisMethodDynamically 方法添加了實現內容，就是 dynamicMethodIMP 方法中的代碼。其中 "v@:" 表示返回值和參數，這個符號表示的含義見：Type Encoding
注意：
動態方法解析會在消息轉發機制侵入前執行，動態方法解析器將會首先給予提供該方法選擇器對應的 IMP 的機會。如果你想讓該方法選擇器被傳送到轉發機制，就讓 resolveInstanceMethod: 方法返回 NO。
消息轉發
重定向
消息轉發機制執行前，Runtime 系統允許我們替換消息的接收者為其他對象。通過 - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector 方法。
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {if(aSelector == @selector(mysteriousMethod:)){return alternateObject;}return [super forwardingTargetForSelector:aSelector]; }如果此方法返回 nil 或者 self，則會計入消息轉發機制(forwardInvocation:)，否則將向返回的對象重新發送消息。
轉發
當動態方法解析不做處理返回 NO 時，則會觸發消息轉發機制。這時 forwardInvocation: 方法會被執行，我們可以重寫這個方法來自定義我們的轉發邏輯：
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {if ([someOtherObject respondsToSelector:[anInvocation selector]])[anInvocation invokeWithTarget:someOtherObject];else[super forwardInvocation:anInvocation]; }唯一參數是個 NSInvocation 類型的對象，該對象封裝了原始的消息和消息的參數。我們可以實現 forwardInvocation: 方法來對不能處理的消息做一些處理。也可以將消息轉發給其他對象處理，而不拋出錯誤。
注意：參數 anInvocation 是從哪來的？
在 forwardInvocation: 消息發送前，Runtime 系統會向對象發送methodSignatureForSelector: 消息，并取到返回的方法簽名用于生成 NSInvocation 對象。所以重寫 forwardInvocation: 的同時也要重寫 methodSignatureForSelector: 方法，否則會拋異常。
當一個對象由于沒有相應的方法實現而無法相應某消息時，運行時系統將通過 forwardInvocation: 消息通知該對象。每個對象都繼承了 forwardInvocation: 方法。但是， NSObject 中的方法實現只是簡單的調用了 doesNotRecognizeSelector:。通過實現自己的 forwardInvocation: 方法，我們可以將消息轉發給其他對象。
forwardInvocation: 方法就是一個不能識別消息的分發中心，將這些不能識別的消息轉發給不同的接收對象，或者轉發給同一個對象，再或者將消息翻譯成另外的消息，亦或者簡單的“吃掉”某些消息，因此沒有響應也不會報錯。這一切都取決于方法的具體實現。
注意：
forwardInvocation:方法只有在消息接收對象中無法正常響應消息時才會被調用。所以，如果我們向往一個對象將一個消息轉發給其他對象時，要確保這個對象不能有該消息的所對應的方法。否則，forwardInvocation:將不可能被調用。
轉發和多繼承
轉發和繼承相似，可用于為 Objc 編程添加一些多繼承的效果。就像下圖那樣，一個對象把消息轉發出去，就好像它把另一個對象中的方法接過來或者“繼承”過來一樣。
這使得在不同繼承體系分支下的兩個類可以實現“繼承”對方的方法，在上圖中 Warrior 和 Diplomat 沒有繼承關系，但是 Warrior 將 negotiate 消息轉發給了 Diplomat 后，就好似 Diplomat 是 Warrior 的超類一樣。
消息轉發彌補了 Objc 不支持多繼承的性質，也避免了因為多繼承導致單個類變得臃腫復雜。
轉發與繼承
雖然轉發可以實現繼承的功能，但是 NSObject 還是必須表面上很嚴謹，像 respondsToSelector: 和 isKindOfClass: 這類方法只會考慮繼承體系，不會考慮轉發鏈。
如果上圖中的 Warrior 對象被問到是否能響應 negotiate消息：
if ( [aWarrior respondsToSelector:@selector(negotiate)] )...回答當然是 NO， 盡管它能接受 negotiate 消息而不報錯，因為它靠轉發消息給 Diplomat 類響應消息。
如果你就是想要讓別人以為 Warrior 繼承到了 Diplomat 的 negotiate 方法，你得重新實現 respondsToSelector: 和 isKindOfClass: 來加入你的轉發算法：
- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector {if ( [super respondsToSelector:aSelector] )return YES; else { /* Here, test whether the aSelector message can * * be forwarded to another object and whether that * * object can respond to it. Return YES if it can. */ } return NO; }除了 respondsToSelector: 和 isKindOfClass: 之外，instancesRespondToSelector: 中也應該寫一份轉發算法。如果使用了協議，conformsToProtocol: 同樣也要加入到這一行列中。
如果一個對象想要轉發它接受的任何遠程消息，它得給出一個方法標簽來返回準確的方法描述 methodSignatureForSelector:，這個方法會最終響應被轉發的消息。從而生成一個確定的 NSInvocation 對象描述消息和消息參數。這個方法最終響應被轉發的消息。它需要像下面這樣實現：
- (NSMethodSignature*)methodSignatureForSelector:(SEL)selector {NSMethodSignature* signature = [super methodSignatureForSelector:selector];if (!signature) {signature = [surrogate methodSignatureForSelector:selector];}return signature; }健壯的實例變量(Non Fragile ivars)
在 Runtime 的現行版本中，最大的特點就是健壯的實例變量了。當一個類被編譯時，實例變量的內存布局就形成了，它表明訪問類的實例變量的位置。實例變量一次根據自己所占空間而產生位移：
上圖左是 NSObject 類的實例變量布局。右邊是我們寫的類的布局。這樣子有一個很大的缺陷，就是缺乏拓展性。哪天蘋果更新了 NSObject 類的話，就會出現問題：
我們自定義的類的區域和父類的區域重疊了。只有蘋果將父類改為以前的布局才能拯救我們，但這樣導致它們不能再拓展它們的框架了，因為成員變量布局被固定住了。在脆弱的實例變量(Fragile ivar)環境下，需要我們重新編譯繼承自 Apple 的類來恢復兼容。如果是健壯的實例變量的話，如下圖：
在健壯的實例變量下，編譯器生成的實例變量布局跟以前一樣，但是當 Runtime 系統檢測到與父類有部分重疊時它會調整你新添加的實例變量的位移，那樣你再子類中新添加的成員變量就被保護起來了。
注意：
在健壯的實例變量下，不要使用 siof(SomeClass)，而是用 class_getInstanceSize([SomeClass class]) 代替；也不要使用 offsetof(SomeClass, SomeIvar)，而要使用 ivar_getOffset(class_getInstanceVariable([SomeClass class], "SomeIvar")) 來代替。
總結
我們讓自己的類繼承自 NSObject 不僅僅是因為基類有很多復雜的內存分配問題，更是因為這使得我們可以享受到 Runtime 系統帶來的便利。
雖然平時我們很少會考慮一句簡單的調用方法，發送消息底層所做的復雜的操作，但深入理解 Runtime 系統的細節使得我們可以利用消息機制寫出功能更強大的代碼。
個人覺得其實平常開發用不到Runtime,用Runtime純屬為了裝一把，但是用戶是看不到你的代碼的！
如果學會Runtime不是為了裝逼，那將毫無意義！
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另外.....
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我的愿望是.......
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世界和平.........
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轉載于:https://www.cnblogs.com/ioshe/p/5489086.html
總結
以上是生活随笔為你收集整理的iOS开发-Runtime详解（简书）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： 5月12日
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