Objective-C Runtime的消息机制以及消息转发机制

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OC Runtime

OC Runtime 是一个 Runtime 库,主要以 C 和汇编语言为基础,使用面向对象的 OC 来编写。可以加载类,对消息进行转发、分发等。
RunTime 库是 Objective-C 面向对象和动态机制的基石。
这句话已经充分说明了 RunTime 的重要性。

消息传递

我们都知道,在编译时 Objective-C 函数调用的语法都会被翻译成 C 的函数调用 objc_msgSend(),如下事例:

[obj doSomethingWithIndex:10];

等价于:

objc_msgSend(obj, @selector(doSomethingWithIndex:), 10);

重点在于 objc_object 中的 isa 指针和 objc_class 中的分发表 class dispatch table

objc_object 相关定义

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

objc_class 相关定义

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

objc_method 相关定义

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nullable method_types                            OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP _Nonnull method_imp                                  OBJC2_UNAVAILABLE;
};

struct objc_method_list {
    struct objc_method_list * _Nullable 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;
};

objc_method_list 是什么?
其本质是一个有 objc_method 元素的可变长度的数组。

objc_method 结构体中都有些什么?
SEL _Nonnull method_name : 函数名
char * _Nullable method_types : 函数类型的字符串
IMP _Nonnull method_imp : 函数的实现

通过以上,不难看出,在 Objective-C 中,对象、类、方法都是一个 C 的结构体。

到这里应该能大致猜出 objc_msgSend() 到底做了哪些工作。

例:objc_msgSend(obj, @selector(doSomethingWithIndex:), 10);

  1. 通过 objisa 指针找到它的 class;
  2. classmethodLists 中找 doSomethingWithIndex:;
  3. class 中未找到 doSomethingWithIndex: ,前往 super_class 中找;
  4. 一旦找到 doSomethingWithIndex: ,立即执行 method_imp

是不是每个消息都要按以上步骤把 objc_method_list 遍历一遍?
注意我们的 objc_class 中有一个成员 objc_cache,那么它又是做什么的呢?

事实上,在找到 doSomethingWithIndex: 方法后,将该方法的 method_name 作为 key ,method_imp 作为 value 存起来。当下次再收到 doSomethingWithIndex: 消息时,直接去 cache 里拿到,并执行 method_imp

消息转发

平时开发中,我们都曾遇到过以下的错误提示:

  1. unrecognized selector sent to instance
  2. unrecognized selector sent to class

不用怕, RunTime 会提供给我们三次拯救的机会。

第一次机会:

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel

+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel

在这里,我们可以新添加一个函数实现并返回 YES ,运行时系统会重新启动一次消息发送的过程。如下:

void addNewMethod(id self, SEL _cmd, NSString *str) {
    NSLog(@"新添加的方法------%@", str);
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {   
    if (sel == @selector(doSomeThing:)) {
        class_addMethod(self, sel, (IMP)runTimeMethod, "v@:@");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

注意:v@:@ 具体什么含义,可查阅 Type Encodings 官方文档

如果第一次机会中的方法返回为 NO ,此时会进行第二次机会。

第二次机会:

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector

将对应消息转发给其他对象,只要返回的不是 nilself ,发送消息的过程会被重启,此时发送的对象变为返回的那个对象。如下:

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
{
    if (sel == @selector(doSomeThing:)) {
        return [[NewClass alloc] init];
    }
}

第三次机会:

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector
获得函数的参数和返回值类型

若返回为 nil ,会发出
- (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector;
消息,同时程序会挂掉

若返回函数签名,RunTime 会创建 NSInvocation 对象,并发送
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
给目标对象,如下:

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

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
{  
    SEL another_selector = [anInvocation selector];

    if ([another_object respondsToSelector:another_selector]) {
        [anInvocation invokeWithTarget:[[NewClass alloc] init]];
    }else {
        [super forwardInvocation:anInvocation];
    }
}

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