iOS基本功-Runtime专题

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Runtime是何物

Objective-C 扩展了 C 语言,并加入了面向对象特性和 Smalltalk 式的消息传递机制。而这个扩展的核心是一个用 C 和 编译语言 写的 Runtime 库。它是 Objective-C 面向对象和动态机制的基石。
Objective-C 是一个动态语言,这意味着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。理解 Objective-C 的 Runtime 机制可以帮我们更好的了解这个语言,适当的时候还能对语言进行扩展,从系统层面解决项目中的一些设计或技术问题。

简而言之, OC的最底层是C语言来实现的,在OC和C语言之间,苹果用C语言和汇编架构出了一层转换层,这个转换层的核心就是Runtime

Runtime中的结构体

Runtime中有两个的结构体需要点一下,一个是Category结构体,一个是类结构体

Categoty结构体

Category结构体代码如下

struct category_t { 
    const char *name; 
    classref_t cls; 
    struct method_list_t *instanceMethods; 
    struct method_list_t *classMethods;
    struct protocol_list_t *protocols;
    struct property_list_t *instanceProperties;
};

name:是指 class_name 而不是 category_name。

cls:要扩展的类对象,编译期间是不会定义的,而是在Runtime阶段通过name对 应到对应的类对象。

instanceMethods:category中所有给类添加的实例方法的列表。

classMethods:category中所有添加的类方法的列表。

protocols:category实现的所有协议的列表。

instanceProperties:表示Category里所有的properties,这就是我们可以通过objc_setAssociatedObject和objc_getAssociatedObject增加实例变量的原因,不过这个和一般的实例变量是不一样的。

从上面的的结构体中可以看出, 分类中可以添加实例方法,类方法,甚至可以实现协议,添加属性,不可以添加成员变量

类结构体

类结构的代码如下

//类
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;
//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;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;
//方法
struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}

从上面的代码可以看出,一个类结构体包含以下几个部分:

1 isa 指向他的meta class

2 super_class 指向这个实例的父类实例

3 name 存储类的类名

4 instace_size 实例对象的内存大小

5 ivars 属性信息列表

6 methodLists 方法信息列表

7 cache 缓存信息列表

8 protocols 代理信息列表

9 version

10 info

元类

元类(Meta Class)是一个类对象的类。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。我们看下图:

iOS的消息发送处理流程

假设,现在我们创建了一个Person对象,向这个对象的work方法发送消息,那么这个时候系统是一个怎样的处理流程呢?

1 系统首先找到Person对象,然后通过对象的isa,找到他的类

2 在他的类中查找cache,是否有work方法

3 没有找到则查找methodLists。

4 再没有则查找super_class的cache、methodLists

5 再没有则继续查找该类的super_class的cache、methodLists…

6 找到对应的method,执行它的IMP

7 转发IMP的return值

8 如果最终也没有找到对应的method,那么执行doesNotRecognizeSelector:方法报unrecognized selector Exception

在没找到方法和报unrecognized selector Exception之间,系统做了什么?

上一个问题前5步执行完毕之后,到最后抛出Exception之间系统提供给我们三次挽救的机会

1 动态方法解析

如上图,在找不到方法后,首先OC会调用 +resolveInstanceMethod:或者 +resolveClassMethod:,让你有机会提供一个函数实现。如果你添加了函数并返回YES, 那运行时系统就会重新启动一次消息发送的过程。可以在这里通过Runtime的class_addMethod方法动态添加一个方法以供调用。

示例代码:

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    //执行fool函数
    [self performSelector:@selector(fool:)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(fool:)) {//如果是执行fool函数,就动态解析,指定新的IMP
        class_addMethod([self class], sel, (IMP)foolMethod, "[email protected]:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

void foolMethod(id obj, SEL _cmd) {
    NSLog(@"Doing fool");//新的fool函数
}

如果resolveInstanceMethod方法返回 YES ,运行时就会移到下一步:

备用接收者

如果目标对象实现了-forwardingTargetForSelector:,Runtime 这时就会调用这个方法,给你把这个消息转发给其他对象的机会。

代码示例:

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

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(foo)) {
        return [Person new];//返回Person对象,让Person对象接收这个消息
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

完整消息转发

如果在上一步还不能处理未知消息,则唯一能做的就是启用完整的消息转发机制了。

首先它会发送-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,可以在这个方法里面对消息进行最后的拯救。

代码示例:

+ (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
}

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"fool"]) {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"[email protected]:"];//签名,进入forwardInvocation
    }
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

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

Runtime的常用方法

获取类名 class_getName(Class)

class_getName()函数返回的是一个char类型的指针,也就是C语言的字符串类型,所以我们要将其转换成NSString类型,然后再返回出去。

获取成员变量

class_copyIvarList(class, &count) 获取成员变量列表
ivar_getTypeEncoding() 获取成员变量类型
ivar_getName() 获取成员变量名字

在OC中的给类添加成员属性其实就是添加了一个成员变量和getter以及setter方法。所以获取的成员列表中肯定带有成员属性,不过成员属性的名称前方添加了下划线来与成员变量进行区分。我们也可以获取成员变量的类型,下方的_var1是NSInteger类型,动态获取到的是q字母,其实是NSInteger的符号。而i就表示int类型,c表示Bool类型,d表示double类型,f则就表示float类型。当然这些基本类型都是由一个字母代替的,如果是引用类型的话,则直接就是一个字符串了,比如NSArray类型就是”@NSArray”。

当然, 获取成员属性也有一个专有的方法:

class_copyPropertyList(class,&count)

获取类的实例方法

class_copyMethodList(class,&count) 获取方法列表
method_getName() 获取方法名字
method_getImplementation() 获取方法实现

获取协议

class_copyProtocolList() 获取协议列表
protocol_getName() 获取协议名字
protocol_getImplementation() 获取协议实现

动态添加方法

class_addMethod(Class, SEL, IMP, const char *);

方法实现交换

Runtime的使用场景

知道了Runtime的方法API,那么他的使用场景就可以开始自由发挥了。这里列举几个:

1 实现字典和模型的自动转换(MJExtension)

2 关联对象(Objective-C Associated Objects)给分类增加属性

3 KVO实现

4 实现NSCoding的自动归档和自动解档

5 页面路径的收集

关联对象

什么是关联对象?

关联对象是指给某个OC对象通过一个唯一的key将另一个类的实例关联到自身上,那另一个类的实例就是这个类的关联对象。当然一个类可以有多个关联对象。

举个例子,关联对象就像是你放风筝时手中牵的风筝,自然,也是可以同时牵多只风筝的。

关联对象主要操作API

//关联对象
void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
//获取关联的对象
id objc_getAssociatedObject(id object, const void *key)
//移除关联的对象
void objc_removeAssociatedObjects(id object)

还是看代码比较容易理解,一段示例代码如下:

- (NSObject *)property {
    return objc_getAssociatedObject(self, @selector(property));
}
- (void)setProperty:(NSObject *)value {
    objc_setAssociatedObject(self, @selector(property), value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}

来解释一下上面的代码,

objc_setAssociatedObject的意思就是 给当前这个类(self)添加一个 叫value的关联属性,而且属性的唯一Id叫 @selector(property)。关联策略是 retain_nonatomic

然后objc_getAssociatedObject 是根据唯一的key也就是@selector(property)来获取objc_setAssociatedObject 设置的东西,也就是value。

这样做就是给当前类,也就是self添加了一个属性了,这个类可以是系统类,也可以是自定义的类,当然也可以是分类,这段代码就是面试题如何给一个分类添加属性的答案。

上面提到的关联策略,是指该对象释放后对它的关联对象的内存管理策略,是个枚举。

enum {
    OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN = 0,
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC = 1, 
    OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC = 3,
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN = 01401,
    OBJC_ASSOCIATION_COPY = 01403 
};

关于Category的一个问题

关于Category的重名方法调用顺序的几个问题

最近和人聊起过一个问题,就是关于Category方面的处理。

1 如果在Category中写了一个和原类中名字一样的方法,在调用这个方法的时候会调用Category的方法,而不调用原类的方法,这是为什么呢?

乍一看,像是方法名覆盖,其实不然,在Runtime层的处理方式是将Catogory的方法添加到methodLists里面,但是在查找的时候,会优先从后向前查找,在找到Category中的那个方法后就执行后续流程了,原类里的那个同名方法就没有执行的机会了

2 如果有多个Category都实现了和原类同一个方法名字一样的方法,也都引入了,这个时候,如果调用这个方法,会是哪一个有效呢?

关于这个问题,在load的时候,就把分类加载上来,加载到类的class_rw_t中,会遍历加载,当判断有分类要加载的时候,用了内存级别的操作,memmove和memcopy,。在调用的时候,还是会优先从后向前查找,既然是这样,那么就是由XCode工程的配置文件[Build Phases] - [Complie Sources]中的顺序决定的,顺序靠后的那个会生效。

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