【iOS】Runtime - 技术栈

文章目录

前言
一、Runtime简介
二、NSObject库起源
- isa
- isa_t结构体
- cache_t的具体实现
- class_data_bits_t的具体实现
三、[self class] 与 [super class]
四、消息发送与转发
五、Runtime应用场景

前言

之前分part学习了Runtime的内容，但是没有系统的总结，这篇博客用来总结学过的所有Runtime知识

一、Runtime简介

Runtime又叫运行时，是一套底层的C语言API，是iOS系统的核心之一

在编码阶段中，当我们向一个对象发送消息时，编译阶段只是确定了我们需要向接收者发送消息，但是接收者如何响应与处理这条消息是运行时决定的，我们来看一个例子

首先，让我们定义这些类：

bash 复制代码

#import <Foundation/Foundation.h>

// 基类 Animal
@interface Animal : NSObject
- (void)speak;
@end

@implementation Animal
- (void)speak {
    NSLog(@"Some generic animal sound");
}
@end

// Dog 类继承自 Animal
@interface Dog : Animal
@end

@implementation Dog
- (void)speak {
    NSLog(@"Woof!");
}
@end

// Cat 类继承自 Animal
@interface Cat : Animal
@end

@implementation Cat
- (void)speak {
    NSLog(@"Meow!");
}
@end

现在，我们编写一个主函数来创建不同的动物对象，并对它们调用 speak 方法：

bash 复制代码

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 创建 Animal 类型的数组
        NSArray *animals = @[[[Dog alloc] init], [[Cat alloc] init], [[Animal alloc] init]];
        
        // 遍历数组中的每一个动物，并调用 speak 方法
        for (Animal *animal in animals) {
            [animal speak];
        }
    }
    return 0;
}

可以看到我们animal接受了speak这个方法，但是运行时会查找animal的实际类，并且动态地查找这个类或其父类中的 speak 方法实现。

同时OC也是一门动态语言，这意味着它不仅需要一个编译器，更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。

Objc 在三种层面 上与 Runtime 系统进行交互：

层面一：通过OC源代码
我们只需要编写OC代码，Runtime系统会自动将我们写的代码在编译阶段转换为运行时代码
层面二：通过Foudation框架的NSObject的类自定义方法
在NSObject协议中有五种方法可以从Runtime中获取信息，并且让对象进行自我检查

bash 复制代码

- (Class)class OBJC_SWIFT_UNAVAILABLE("use 'anObject.dynamicType' instead");
- (BOOL)isKindOfClass:(Class)aClass;
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)aClass;
- (BOOL)conformsToProtocol:(Protocol *)aProtocol;
- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector;

-class方法返回对象的类；
-isKindOfClass: 和 -isMemberOfClass: 方法检查对象是否存在于指定的类的继承体系中；
-respondsToSelector: 检查对象能否响应指定的消息；
-conformsToProtocol:检查对象是否实现了指定协议类的方法；

在NSObject类中还有一个方法会返回SEL的IMP

bash 复制代码

- (IMP)methodForSelector:(SEL)aSelector;

层面三：通过对 Runtime 库函数的直接调用

bash 复制代码

1. Class and Metaclass Functions

	•	objc_getClass(const char *name): 获取指定名称的类。
	•	objc_getMetaClass(const char *name): 获取指定名称的元类。
	•	objc_allocateClassPair(Class superclass, const char *name, size_t extraBytes): 动态创建一个新的类。
	•	objc_registerClassPair(Class cls): 注册一个动态创建的类。

2. Method Functions

	•	class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types): 向类中添加一个方法。
	•	class_replaceMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types): 替换类中的一个方法。
	•	class_getInstanceMethod(Class cls, SEL name): 获取实例方法。
	•	class_getClassMethod(Class cls, SEL name): 获取类方法。
	•	method_getName(Method m): 获取方法的选择器。
	•	method_getImplementation(Method m): 获取方法的实现。

3. Property and Ivar Functions

	•	class_addIvar(Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types): 向类中添加一个实例变量。
	•	class_getInstanceVariable(Class cls, const char *name): 获取类中的实例变量。
	•	class_getProperty(Class cls, const char *name): 获取类中的属性。
	•	class_addProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount): 向类中添加属性。

4. Selector Functions

	•	sel_registerName(const char *str): 注册一个选择器。
	•	sel_getUid(const char *str): 获取一个选择器。

5. Protocol Functions

	•	objc_getProtocol(const char *name): 获取指定名称的协议。
	•	objc_allocateProtocol(const char *name): 动态创建一个新的协议。
	•	objc_registerProtocol(Protocol *proto): 注册一个动态创建的协议。
	•	protocol_addMethodDescription(Protocol *proto, SEL name, const char *types, BOOL isRequiredMethod, BOOL isInstanceMethod): 向协议中添加方法描述。
	•	protocol_addProperty(Protocol *proto, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount, BOOL isRequiredProperty, BOOL isInstanceProperty): 向协议中添加属性。

6. Object and Messaging Functions

	•	objc_msgSend(id self, SEL op, ... ): 发送消息。
	•	objc_msgSendSuper(struct objc_super *super, SEL op, ... ): 发送消息给父类。
	•	object_getClass(id obj): 获取对象的类。
	•	object_setClass(id obj, Class cls): 设置对象的类。

二、NSObject库起源

刚才说了我们有三种方式可以和Runtime进行交互，前两种方式都与NSObject有关，我们就从NSObject基类开始说起

我们通过源码可以得知NSObject的定义如下：

bash 复制代码

typedef struct objc_class *Class;

@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

其内部只包含了一个名为isa的Class指针，同时Class指针实际上就是一个objc_class结构体，如何理解这个结构体呢，我们来看一下这个结构体的源码：

在Objc2.0之前，objc_class源码如下：

bash 复制代码

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;

可以看到在一个类中，有超类的指针，类名，版本的信息，同时还有指向成员变量列表的指针，指向方法列表的指针

我们可以通过动态的修改方法列表来达到使用分类向类中添加方法

关于分类的文章之前写过，现在发现一篇更好的，大家可以读一下
深入理解Objective-C：Category

同时在先前说过Category的底层结构体中是有属性列表的，但是为什么不能添加属性呢，这是因为当我们使用@property声明属性时，会自动添加实例变量，但是Category的底层结构体中没有实例变量列表，因此无法实现，同时还有一个原因是编译器不会为分类自动合成set与get方法，但最最主要的原因是rw中没有成员变量列表，不允许修改成员变量

在objc2.0之后，objc_class的定义就变了：

bash 复制代码

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

@interface Object { 
    Class isa; 
}

@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
}

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
}

union isa_t 
{
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    Class cls;
    uintptr_t bits;
}

将源码转换为类图就变成了下面这样子：

在源码中我们可以看出来所有的对象都包含一个isa_t类型的结构体，这是如何看出来的呢

bash 复制代码

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
}

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
}

从这两段代码我们可以看出来，objc_class 是objc_object的子类，我们理解一下这两个结构体名字：
objc_object的意思是对象，也就是在OC中所有对象都有一个isa_t变量，objc_class的意思是类，但是他却继承于对象，那么说明我们的类实际上也是一个对象，也就是类对象

这也就说明了上面的结论：所有的对象都会包含一个isa_t类型的结构体。

objc_object被源码typedef成了id类型，这也说明了为什么任何类型都可以用id来表示，这是因为id类型是所有对象的父类

我们一步步来分析这里面的成员变量，首先是object类和NSObject类里面分别都包含一个objc_class类型的isa

isa

首先我们通过学习消息流程可以知道，当一个对象的方法被调用时，首先会根据isa指针找到相应的类，然后在该类的class_data_bits_t中去查找方法。class_data_bits_t是指向了类对象的数据区域。在该数据区域内查找相应方法的对应实现

同时当调用类方法是也会通过isa查找方法，此时isa指向的是元类（Meta Class），这里有问题可以看先前的博客，不再赘述

同时元类与类对象是唯一的

isa_t结构体

isa_t 是现代Objective-C运行时中的一个重要优化，它通过位域结构封装了 isa 指针，使得它不仅仅是一个指向类的指针，还携带了大量运行时所需的附加信息。通过这种设计，Objective-C运行时能够在保持高效内存使用的同时，提供丰富的对象管理功能。

总结就是isa_t比较抽象，笔者也讲不懂，但是里面用到了Tagged Pointer技术，大家可以去了解
深入理解 Tagged Pointer

cache_t的具体实现

cache_t出现objc_class中，我们来通过源码分析一下

bash 复制代码

struct cache_t {
    struct bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;
}

typedef unsigned int uint32_t;
typedef uint32_t mask_t;  // x86_64 & arm64 asm are less efficient with 16-bits

typedef unsigned long  uintptr_t;
typedef uintptr_t cache_key_t;

struct bucket_t {
private:
    cache_key_t _key;
    IMP _imp;
}

通过源码我们知道了cache_t中存储了一个bucket_t的结构体，和两个unsigned int的变量。

mask：分配用来缓存bucket的总数。
occupied：表明目前实际占用的缓存bucket的个数。

同时我们看一下bucket_t结构体，他里面只有两个元素，一个是key，一个是IMP
cache_t中的bucket_t *_buckets其实就是一个散列表，用来存储Method的链表。

当我们使用方法后，编译器会自动将方法的SEL存为Key，其实现IMP存进bucket_t中的Key对应的IMP中，这样就优化了方法调用的性能，不用每次调用方法时都去方法列表中查找

Cache的作用主要是为了优化方法调用的性能。当对象receiver调用方法message时，首先根据对象receiver的isa指针查找到它对应的类，然后在类的methodLists中搜索方法，如果没有找到，就使用super_class指针到父类中的methodLists查找，一旦找到就调用方法。如果没有找到，有可能消息转发，也可能忽略它。但这样查找方式效率太低，因为往往一个类大概只有20%的方法经常被调用，占总调用次数的80%。所以使用Cache来缓存经常调用的方法，当调用方法时，优先在Cache查找，如果没有找到，再到methodLists查找。

class_data_bits_t的具体实现

bash 复制代码

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
}

在objc2.0之前我们的objc_class结构体中有十分多的元素，但是更新后就变得十分简洁，这些元素并没有消失，其实都存在了数据区域class_data_bits_t中

同样来看源码：

bash 复制代码

struct class_data_bits_t {

    // Values are the FAST_ flags above.
    uintptr_t bits;
}

struct class_rw_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t version;

    const class_ro_t *ro;

    method_array_t methods;
    property_array_t properties;
    protocol_array_t protocols;

    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;

    char *demangledName;
}

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif

    const uint8_t * ivarLayout;
    
    const char * name;
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;

    method_list_t *baseMethods() const {
        return baseMethodList;
    }
};

在 objc_class结构体中的注释写到：
class_data_bits_t相当于 class_rw_t指针加上 rr/alloc 的标志

也就是说先前的属性、方法以及遵循的协议在obj 2.0的版本之后都放在class_rw_t中，那么ro是用来干什么的呢？

我们知道OC作为一门动态语言运行阶段分为编译器与运行期，在编译期类的结构中的 class_data_bits_t *data指向的是一个 class_ro_t *指针：

在Objc运行时会调用realizeClass方法：

从 class_data_bits_t 调用 data 方法，将结果从 class_rw_t 强制转换为 class_ro_t 指针，这一步是为了class_rw_t的ro能被正确赋值
初始化一个 class_rw_t 结构体
设置结构体ro的值以及flag
最后设置正确的data，也就是返回最后的rw结构体（因为原本data指向的是ro）
我们来看一下更改后的图片

此时realizeClass方法运行后我们的rw结构体已经被初始化，同时ro已经被赋值，但是此时的方法，属性以及协议列表均为空，这时需要 realizeClass 调用 methodizeClass 方法来将类自己实现的方法（包括分类）、属性和遵循的协议加载到 methods、 properties 和 protocols 列表中。

bash 复制代码

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;

    struct SortBySELAddress :
        public std::binary_function<const method_t&,
                                    const method_t&, bool>
    {
        bool operator() (const method_t& lhs,
                         const method_t& rhs)
        { return lhs.name < rhs.name; }
    };
};

同时我们可以再通过这里讲讲我们的消息查找，如果动态修改了方法会生成rw_e结构体，查找方法时会优先去rw_e中查找，否则去ro中查找

三、[self class] 与 [super class]

我们来看一道题目

下面代码输出什么?

bash 复制代码

 @implementation Son : Father
    - (id)init
    {
        self = [super init];
        if (self)
        {
            NSLog(@"%@", NSStringFromClass([self class]));
            NSLog(@"%@", NSStringFromClass([super class]));
        }
    return self;
    }
    @end

self和super的区别：

self是类一个隐藏参数，每个方法的实现的第一个参数为self

super则负责告诉编译器，调用方法时，去调用父类的方法，而不是本类中的方法

也就是说[super class]调用了objc_msgSendSuper方法，而不是objc_msgSend

bash 复制代码

OBJC_EXPORT void objc_msgSendSuper(void /* struct objc_super *super, SEL op, ... */ )


/// Specifies the superclass of an instance. 
struct objc_super {
    /// Specifies an instance of a class.
    __unsafe_unretained id receiver;

    /// Specifies the particular superclass of the instance to message. 
#if !defined(__cplusplus)  &&  !__OBJC2__
    /* For compatibility with old objc-runtime.h header */
    __unsafe_unretained Class class;
#else
    __unsafe_unretained Class super_class;
#endif
    /* super_class is the first class to search */
};

在objc_msgSendSuper方法中，我们会从父类的方法列表开始查找selector，找到后以objc->receiver去调用父类的这个selector。注意，最后的调用者是objc->receiver，而不是super_class！

那么objc_msgSendSuper最后就转变成

bash 复制代码

// 注意这里是从父类开始msgSend，而不是从本类开始，谢谢@Josscii 和他同事共同指点出此处描述的不妥。
objc_msgSend(objc_super->receiver, @selector(class))

/// Specifies an instance of a class.  这是类的一个实例
    __unsafe_unretained id receiver;   


// 由于是实例调用，所以是减号方法
- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}

由于找到了父类NSObject里面的class方法的IMP，又因为传入的入参objc_super->receiver = self。self就是son，调用class，所以父类的方法class执行IMP之后，输出还是son，最后输出两个都一样，都是输出son。

四、消息发送与转发

这部分内容之前已经学的十分详细了，可以直接看之前写的博客
【iOS】消息流程分析

五、Runtime应用场景

同时我们讲完了Runtime，我们自然要知道如何应用Runtime，我们来看一下Runtime的一些应用

(1) 实现多继承Multiple Inheritance
(2) Method Swizzling
(3) Aspect Oriented Programming
(4) Isa Swizzling
(5) Associated Object关联对象
(6) 动态的增加方法
(7) NSCoding的自动归档和自动解档
(8) 字典和模型互相转换

其中大多数应用之前博客都有讲大家可以自行查找，同时Isa Swizzling对应的应用是KVO的原理，至于字典模型相互转换之后在学习JsonModel源码中会讲

参考博客：
神经病院 Objective-C Runtime 入院第一天------ isa 和 Class神经病院 Objective-C Runtime 入院第一天------ isa 和 Class
深入解析 ObjC 中方法的结构
 深入理解Objective-C：Category