深入研究Runtime

一、简介

Objective-C是一门动态性比较强的编程语言,跟C、C++等语言有着很大的不同

Objective-C的动态性是由Runtime API来支撑的

Runtime API提供的接口基本都是C语言的,源码由C\C++\汇编语言编写

二、isa详解

要想学习Runtime,首先要了解它底层的一些常用数据结构,比如isa指针

在arm64架构之前,isa就是一个普通的指针,存储着Class、Meta-Class对象的内存地址

从arm64架构开始,对isa进行了优化,变成了一个共用体(union)结构,还使用位域来存储更多的信息


image11.png
nonpointer
0,代表普通的指针,存储着Class、Meta-Class对象的内存地址
1,代表优化过,使用位域存储更多的信息

has_assoc
是否有设置过关联对象,如果没有,释放时会更快

has_cxx_dtor
是否有C++的析构函数(.cxx_destruct),如果没有,释放时会更快

shiftcls
存储着Class、Meta-Class对象的内存地址信息

magic
用于在调试时分辨对象是否未完成初始化

weakly_referenced
是否有被弱引用指向过,如果没有,释放时会更快

deallocating
对象是否正在释放

extra_rc
里面存储的值是引用计数器减1

has_sidetable_rc
引用计数器是否过大无法存储在isa中
如果为1,那么引用计数会存储在一个叫SideTable的类的属性中

三、Class的结构

屏幕快照 2019-01-23 下午1.28.39.png

class_rw_t里面的methods、properties、protocols是二维数组,是可读可写的,包含了类的初始内容、分类的内容


屏幕快照 2019-01-23 下午1.29.48.png

class_ro_t里面的baseMethodList、baseProtocols、ivars、baseProperties是一维数组,是只读的,包含了类的初始内容


屏幕快照 2019-01-23 下午1.32.38.png

method_t是对方法\函数的封装
image19.png

IMP代表函数的具体实现
image17.png

SEL代表方法\函数名,一般叫做选择器,底层结构跟char *类似
可以通过@selector()和sel_registerName()获得
可以通过sel_getName()和NSStringFromSelector()转成字符串
不同类中相同名字的方法,所对应的方法选择器是相同的


image18.png

types包含了函数返回值、参数编码的字符串
屏幕快照 2019-01-23 下午1.43.17.png
Type Encoding

iOS中提供了一个叫做@encode的指令,可以将具体的类型表示成字符串编码


image20.png

image21.png
方法缓存

Class内部结构中有个方法缓存(cache_t),用散列表(哈希表)来缓存曾经调用过的方法,可以提高方法的查找速度


屏幕快照 2019-01-23 下午1.48.54.png

四、objc_msgSend执行流程

OC中的方法调用,其实都是转换为objc_msgSend函数的调用

objc_msgSend的执行流程可以分为3大阶段
(1)消息发送


屏幕快照 2019-01-23 下午1.54.47.png

(2)动态方法解析


屏幕快照 2019-01-23 下午1.57.32.png

动态添加方法


[图片上传中...(屏幕快照 2019-01-23 下午2.01.51.png-6e01d7-1548223317400-0)]

(3)消息转发


屏幕快照 2019-01-23 下午2.04.07.png

生成NSMethodSignature


屏幕快照 2019-01-23 下午2.05.47.png
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
{
    if (aSelector == @selector(test)) {
        // objc_msgSend([[Cat alloc] init], aSelector)
        return [[Cat alloc] init];
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

// 方法签名:返回值类型、参数类型
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector
{
    if (aSelector == @selector(test)) {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v16@0:8"];
    }
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

// NSInvocation封装了一个方法调用,包括:方法调用者、方法名、方法参数
//    anInvocation.target 方法调用者
//    anInvocation.selector 方法名
//    [anInvocation getArgument:NULL atIndex:0]
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
{
//    anInvocation.target = [[MJCat alloc] init];
//    [anInvocation invoke];

    [anInvocation invokeWithTarget:[[Cat alloc] init]];
}

五、super的本质

super调用,底层会转换为objc_msgSendSuper2函数的调用,接收2个参数
struct objc_super2
SEL


image29.png

receiver是消息接收者
current_class是receiver的Class对象

六、LLVM的中间代码(IR)

  • Objective-C在变为机器代码之前,会被LLVM编译器转换为中间代码(Intermediate Representation)

  • 可以使用以下命令行指令生成中间代码
    clang -emit-llvm -S main.m

  • 语法简介
    @ - 全局变量
    % - 局部变量
    alloca - 在当前执行的函数的堆栈帧中分配内存,当该函数返回到其调用者时,将自动释放内存
    i32 - 32位4字节的整数
    align - 对齐
    load - 读出,store 写入
    icmp - 两个整数值比较,返回布尔值
    br - 选择分支,根据条件来转向label,不根据条件跳转的话类似 goto
    label - 代码标签
    call - 调用函数

  • 具体可以参考官方文档:https://llvm.org/docs/LangRef.html

七、Runtime的应用

1 – 查看私有成员变量
设置UITextField占位文字的颜色

unsigned int count;
    Ivar *ivars = class_copyIvarList([UITextField class], &count);
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        // 取出i位置的成员变量
        Ivar ivar = ivars[i];
        NSLog(@"%s %s", ivar_getName(ivar), ivar_getTypeEncoding(ivar));
    }
    free(ivars);
image30.png

2 – 字典转模型
利用Runtime遍历所有的属性或者成员变量
利用KVC设值

+ (instancetype)mj_objectWithJson:(NSDictionary *)json
{
    id obj = [[self alloc] init];
    
    unsigned int count;
    Ivar *ivars = class_copyIvarList(self, &count);
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        // 取出i位置的成员变量
        Ivar ivar = ivars[i];
        NSMutableString *name = [NSMutableString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
        [name deleteCharactersInRange:NSMakeRange(0, 1)];
        
        // 设值
        id value = json[name];
        if ([name isEqualToString:@"ID"]) {
            value = json[@"id"];
        }
        [obj setValue:value forKey:name];
    }
    free(ivars);
    
    return obj;
}

3 – 替换方法实现

class_replaceMethod

method_exchangeImplementations

八、Runtime API

动态创建一个类(参数:父类,类名,额外的内存空间)
Class objc_allocateClassPair(Class superclass, const char *name, size_t extraBytes)

注册一个类(要在类注册之前添加成员变量)
void objc_registerClassPair(Class cls) 

销毁一个类
void objc_disposeClassPair(Class cls)

获取isa指向的Class
Class object_getClass(id obj)

设置isa指向的Class
Class object_setClass(id obj, Class cls)

判断一个OC对象是否为Class
BOOL object_isClass(id obj)

判断一个Class是否为元类
BOOL class_isMetaClass(Class cls)

获取父类
Class class_getSuperclass(Class cls)

成员变量

获取一个实例变量信息
Ivar class_getInstanceVariable(Class cls, const char *name)

拷贝实例变量列表(最后需要调用free释放)
Ivar *class_copyIvarList(Class cls, unsigned int *outCount)

设置和获取成员变量的值
void object_setIvar(id obj, Ivar ivar, id value)
id object_getIvar(id obj, Ivar ivar)

动态添加成员变量(已经注册的类是不能动态添加成员变量的)
BOOL class_addIvar(Class cls, const char * name, size_t size, uint8_t alignment, const char * types)

获取成员变量的相关信息
const char *ivar_getName(Ivar v)
const char *ivar_getTypeEncoding(Ivar v)

属性

获取一个属性
objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name)

拷贝属性列表(最后需要调用free释放)
objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount)

动态添加属性
BOOL class_addProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes,
                  unsigned int attributeCount)

动态替换属性
void class_replaceProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes,
                      unsigned int attributeCount)

获取属性的一些信息
const char *property_getName(objc_property_t property)
const char *property_getAttributes(objc_property_t property)

方法

获得一个实例方法、类方法
Method class_getInstanceMethod(Class cls, SEL name)
Method class_getClassMethod(Class cls, SEL name)

方法实现相关操作
IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL name) 
IMP method_setImplementation(Method m, IMP imp)
void method_exchangeImplementations(Method m1, Method m2) 

拷贝方法列表(最后需要调用free释放)
Method *class_copyMethodList(Class cls, unsigned int *outCount)

动态添加方法
BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)

动态替换方法
IMP class_replaceMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)

获取方法的相关信息(带有copy的需要调用free去释放)
SEL method_getName(Method m)
IMP method_getImplementation(Method m)
const char *method_getTypeEncoding(Method m)
unsigned int method_getNumberOfArguments(Method m)
char *method_copyReturnType(Method m)
char *method_copyArgumentType(Method m, unsigned int index)

选择器相关
const char *sel_getName(SEL sel)
SEL sel_registerName(const char *str)

用block作为方法实现
IMP imp_implementationWithBlock(id block)
id imp_getBlock(IMP anImp)
BOOL imp_removeBlock(IMP anImp)

九、面试题

1.讲一下 OC 的消息机制

OC中的方法调用其实都是转成了objc_msgSend函数的调用,给receiver(方法调用者)发送了一条消息(selector方法名)
objc_msgSend底层有3大阶段
消息发送(当前类、父类中查找)、动态方法解析、消息转发

2.什么是Runtime?平时项目中有用过么?

OC是一门动态性比较强的编程语言,允许很多操作推迟到程序运行时再进行
OC的动态性就是由Runtime来支撑和实现的,Runtime是一套C语言的API,封装了很多动态性相关的函数
平时编写的OC代码,底层都是转换成了Runtime API进行调用

3.具体应用

利用关联对象(AssociatedObject)给分类添加属性
遍历类的所有成员变量(修改textfield的占位文字颜色、字典转模型、自动归档解档)
交换方法实现(交换系统的方法)
利用消息转发机制解决方法找不到的异常问题
......

3.打印结果分别是什么?
// 这句代码的方法调用者不管是哪个类(只要是NSObject体系下的),都返回YES
        NSLog(@"%d", [NSObject isKindOfClass:[NSObject class]]); // 1
        NSLog(@"%d", [NSObject isMemberOfClass:[NSObject class]]); // 0
        NSLog(@"%d", [MJPerson isKindOfClass:[MJPerson class]]); // 0
        NSLog(@"%d", [MJPerson isMemberOfClass:[MJPerson class]]); // 0

        id person = [[MJPerson alloc] init];
        
        NSLog(@"%d", [person isMemberOfClass:[MJPerson class]]);// 1
        NSLog(@"%d", [person isMemberOfClass:[NSObject class]]);// 0
        
        NSLog(@"%d", [person isKindOfClass:[MJPerson class]]);// 1
        NSLog(@"%d", [person isKindOfClass:[NSObject class]]);// 1


        NSLog(@"%d", [MJPerson isMemberOfClass:object_getClass([MJPerson class])]);// 1
        NSLog(@"%d", [MJPerson isKindOfClass:object_getClass([NSObject class])]);// 1