Objective-C Runtime到底是什么东西?

Objective-C Runtime 1小时入门教程

Objective-C Runtime到底是什么东西?

Objective-C Runtime是一个将C语言转化为面向对象语言的扩展。

我们将C++和Objective进行对比,虽然C++和Objective-C都是在C的基础上加入面向对象的特性扩充而成的程序设计语言,但二者实现的机制差异很大。C++是基于静态类型,而Objective-C是基于动态运行时类型。

也就是说用C++编写的程序通过编译器直接把函数地址硬编码进入可执行文件;而Objective-C无法通过编译器直接把函数地址硬编码进入可执行文件,而是在程序运行的时候,利用Runtime根据条件判断作出决定。函数标识与函数过程的真正内容之间的关联可以动态修改。Runtime是Objective不可缺少的重要一部分。

Objective-C的元素认知

id和Class

打开/Public Headers/objc.h文件可以看到如下定义:

#if !OBJC_TYPES_DEFINED
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
#endif

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。

打开/Public Headers/runtime.h文件
objc_class的定义如下:

typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class { 
 Class isa                                 OBJC_ISA_AVAILABILITY; // metaclass
#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,可以通过runtime函数class_setVersion或者class_getVersion进行修改、读取
 long info                                 OBJC2_UNAVAILABLE; // 类信息,供运行时期使用的一些位标识,如CLS_CLASS (0x1L) 表示该类为普通 class,其中包含实例方法和变量;CLS_META (0x2L) 表示该类为 metaclass,其中包含类方法;
 long instance_size                        OBJC2_UNAVAILABLE; // 该类的实例变量大小(包括从父类继承下来的实例变量)
 struct objc_ivar_list *ivars              OBJC2_UNAVAILABLE; // 该类的成员变量地址列表
 struct objc_method_list **methodLists     OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法地址列表,与 info 的一些标志位有关,如CLS_CLASS (0x1L),则存储实例方法,如CLS_META (0x2L),则存储类方法;
 struct objc_cache *cache                  OBJC2_UNAVAILABLE; // 缓存最近使用的方法地址,用于提升效率;
 struct objc_protocol_list *protocols      OBJC2_UNAVAILABLE; // 存储该类声明遵守的协议的列表
#endif
}
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

由以上代码可见,类与对象的区别就是类比对象多了很多特征成员,�类也可以当做一个objc_object来对待,也就是说类和对象都是对象,分别称作类对象(class object)和实例对象(instance object),这样我们就可以区别对象和类了。

isa:objc_object(实例对象)中isa指针指向的类结构称为class(也就是该对象所属的类)其中存放着普通成员变量与动态方法(“-”开头的方法);此处isa指针指向的类结构称为metaclass,其中存放着static类型的成员变量与static类型的方法(“+”开头的方法)。

super_class: 指向该类的父类的指针,如果该类是根类(如NSObject或NSProxy),那么super_class就为nil。

类与对象的继承层次关系如图(图片源自网络)

所有的metaclass中isa指针都是指向根metaclass,而根metaclass则指向自身。根metaclass是通过继承根类产生的,与根class结构体成员一致,不同的是根metaclass的isa指针指向自身。

SEL

SEL是selector在Objective-C中的表示类型。selector可以理解为区别方法的编号(ID/地址)。

typedef struct objc_selector *SEL;

objc_selector的定义如下:

struct objc_selector {
    char *name;                       OBJC2_UNAVAILABLE;// 名称
    char *types;                      OBJC2_UNAVAILABLE;// 类型
};

name和types都是char类型。

IMP

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

IMP是“implementation”的缩写,它是由编译器生成的一个函数指针, 指向方法(method)实现代码块的地址。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。

Method

Method代表类中的某个方法的类型。

typedef struct objc_method *Method;

objc_method的定义如下:

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

方法名method_name类型为SEL,上文提到过。
方法类型method_types是一个char指针,存储着方法的参数类型和返回值类型。
方法实现method_imp的类型为IMP,上文提到过。

Ivar

Ivar代表类中实例变量的类型

typedef struct objc_ivar *Ivar;

objc_ivar的定义如下:

struct objc_ivar {
    char *ivar_name                   OBJC2_UNAVAILABLE; // 变量名
    char *ivar_type                   OBJC2_UNAVAILABLE; // 变量类型
    int ivar_offset                   OBJC2_UNAVAILABLE; // �基地址偏移字节
#ifdef __LP64__
    int space                         OBJC2_UNAVAILABLE; // 占用空间
#endif
}

objc_property_t

objc_property_t是属性,它的定义如下:

typedef struct objc_property *objc_property_t;

objc_property是内置的类型,与之关联的还有一个objc_property_attribute_t,它是属性的attribute,也就是其实是对属性的详细描述,包括属性名称、属性编码类型、原子类型/非原子类型等。它的定义如下:

typedef struct {
    const char *name; // 名称
    const char *value;  // 值(通常是空的)
} objc_property_attribute_t;

Cache

Catch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;
};

mask: 指定分配cache buckets的总数。在方法查找中,Runtime使用这个字段确定数组的索引位置。
occupied: 实际占用cache buckets的总数。
buckets: 指定Method数据结构指针的数组。这个数组可能包含不超过mask+1个元素。需要注意的是,指针可能是NULL,表示这个缓存bucket没有被占用,另外被占用的bucket可能是不连续的。这个数组可能会随着时间而增长。
objc_msgSend(下文讲解)每调用一次方法后,就会把该方法缓存到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methodLists中查找方法。

Catagory

这个就是我们平时所说的类别了,很熟悉吧。它可以动态的为已存在的类添加新的方法。
它的定义如下:

typedef struct objc_category *Category;

objc_category的定义如下:

struct objc_category {
    char *category_name                           OBJC2_UNAVAILABLE; // 类别名称
    char *class_name                              OBJC2_UNAVAILABLE; // 类名
    struct objc_method_list *instance_methods     OBJC2_UNAVAILABLE; // 实例方法列表
    struct objc_method_list *class_methods        OBJC2_UNAVAILABLE; // 类方法列表
    struct objc_protocol_list *protocols          OBJC2_UNAVAILABLE; // 协议列表
}

Objective-C的消息传递

基本消息传递

在面向对象编程中,对象调用方法叫做发送消息。在编译时,程序的源代码就会从对象发送消息转换成Runtime的objc_msgSend函数调用。
例如某实例变量receiver实现某一个方法oneMethod

[receiver oneMethod];

Runtime会将其转成类似这样的代码

objc_msgSend(receiver, selector);

具体会转换成什么代码呢?
Runtime会根据类型自动转换成下列某一个函数:
objc_msgSend: 普通的消息都会通过该函数发送
objc_msgSend_stret: 消息中有数据结构作为返回值(不是简单值)时,通过此函数发送和接收返回值
objc_msgSendSuper: 和objc_msgSend类似,这里把消息发送给父类的实例
objc_msgSendSuper_stret: 和objc_msgSend_stret类似,这里把消息发送给父类的实例并接收返回值

消息被发送到实例对象流程
objc_msgSend函数的调用过程:
  • 第一步:检测这个selector是不是要忽略的。
  • 第二步:检测这个target是不是nil对象。nil对象发送任何一个消息都会被忽略掉。
  • 第三步:

  1.调用实例方法时,它会首先在自身isa指针指向的类(class)methodLists中查找该方法,如果找不到则会通过class的super_class指针找到父类的类对象结构体,然后从methodLists中查找该方法,如果仍然找不到,则继续通过super_class向上一级父类结构体中查找,直至根class;

  2.当我们调用某个某个类方法时,它会首先通过自己的isa指针找到metaclass,并从其中methodLists中查找该类方法,如果找不到则会通过metaclass的super_class指针找到父类的metaclass对象结构体,然后从methodLists中查找该方法,如果仍然找不到,则继续通过super_class向上一级父类结构体中查找,直至根metaclass;
第四部:前三部都找不到就会进入动态方法解析(看下文)。

消息动态解析

动态解析流程图(图片来自网络)

请参照图片品味以下步骤:

  • 第一步:通过resolveInstanceMethod:方法决定是否动态添加方法。如果返回Yes则通过class_addMethod动态添加方法,消息得到处理,结束;如果返回No,则进入下一步;
  • 第二步:这步会进入forwardingTargetForSelector:方法,用于指定备选对象响应这个selector,不能指定为self。如果返回某个对象则会调用对象的方法,结束。如果返回nil,则进入第三部;
  • 第三部:这步我们要通过methodSignatureForSelector:方法签名,如果返回nil,则消息无法处理。如果返回methodSignature,则进入下一步;
  • 第四部:这步调用forwardInvocation:方法,我们可以通过anInvocation对象做很多处理,比如修改实现方法,修改响应对象等,如果方法调用成功,则结束。如果失败,则进入doesNotRecognizeSelector方法,若我们没有实现这个方法,那么就会crash。

Runtime实战

原文中有代码实战,建议配合实战代码加深理解。

结语

这里只是对Objective-C Runtime 1小时入门教程的搬运与笔记,该文是我目前看过的对runtime解析最全面的一篇,建议反复解读。

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