Objective-C 之 Category 详解

Objective-C 之 Category 详解：从入门到底层原理

在不修改原有类源码的情况下，为它添加新方法------这就是 Category 的魅力所在。

一、什么是 Category？

Category（分类）是 Objective-C 2.0 添加的语言特性，主要作用是为已经存在的类添加方法。它可以在既不子类化，也不侵入一个类的源码的情况下，为原有类添加新的方法，从而实现扩展一个类的目的。

日常开发中最常见的场景 ：给 NSString、NSArray、UIView 等系统类添加自定义方法。比如，你可能会给 NSString 加一个 md5 方法，给 UIView 加一个 shake 动画方法。这就是 Category 最典型的应用。

和继承的对比 ：虽然继承也能为已有类增加新方法，但它会增加不必要的代码复杂度。而且继承会创建一个新的类型，而 Category 是在原类本身上添加方法，更加轻量。

二、Category 的核心使用场景

场景	说明
扩展现有类	为系统类（如 `NSString`、`NSArray`）添加自定义方法
分解庞大类	将一个大型类按功能拆分成多个文件，便于团队协作和维护
声明私有方法	将 Framework 的私有方法公开化，方便调用
非正式协议	创建 `NSObject` 或其子类的 Category，实现类似协议的效果（现已逐渐被正式协议取代）

三、如何在 Xcode 中创建 Category

3.1 通过 Xcode 模板创建（推荐方式）

步骤一：打开新建文件对话框

在 Xcode 项目导航器中，右键点击项目文件夹或某个 Group，选择 New File... （或使用快捷键 Command + N）。

步骤二：选择 Objective-C 模板

在弹出的对话框中，选择 Objective-C File 模板，然后点击 Next。

步骤三：配置 Category 参数

在配置界面中：

File Name ：输入 Category 的名称（如 Reverse）
File Type ：选择 Category
Class ：输入要扩展的目标类名（如 NSString）

步骤四：保存文件

点击 Next，选择保存位置，Xcode 会自动生成两个文件：

objectivec 复制代码

// NSString+Reverse.h  - 头文件
// NSString+Reverse.m  - 实现文件

步骤五：编写 Category 代码

在生成的 .h 文件中声明新方法，在 .m 文件中实现它们。

3.2 手动创建 Category（进阶方式）

如果 Xcode 模板创建失败或你更喜欢手动创建，可以按以下步骤操作：

第一步：手动创建头文件（.h）

objectivec 复制代码

// NSString+Reverse.h
#import <Foundation/Foundation.h>

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface NSString (Reverse)
- (NSString *)reversed;
+ (NSString *)reverseString:(NSString *)strSrc;
@end

NS_ASSUME_NONNULL_END

第二步：手动创建实现文件（.m）

objectivec 复制代码

// NSString+Reverse.m
#import "NSString+Reverse.h"

@implementation NSString (Reverse)

+ (NSString *)reverseString:(NSString *)strSrc {
    NSMutableString *reversed = [NSMutableString string];
    for (NSInteger i = strSrc.length - 1; i >= 0; i--) {
        [reversed appendString:[strSrc substringWithRange:NSMakeRange(i, 1)]];
    }
    return reversed;
}

- (NSString *)reversed {
    return [NSString reverseString:self];
}

@end

第三步：在需要的地方导入使用

objectivec 复制代码

#import "NSString+Reverse.h"

// 使用
NSString *str = @"Hello";
NSString *reversed = [str reversed];  // "olleH"

3.3 在 Xcode 中查看和管理 Category

创建完成后，Xcode 项目导航器中会显示：

复制代码

项目目录/
├── NSString+Reverse.h        (头文件)
├── NSString+Reverse.m        (实现文件)

NSString+Reverse.h 文件中，@interface NSString (Reverse) 表示这是一个 NSString 的 Category，名称为 Reverse。

一个方便的查看技巧 ：在 Xcode 中，按住 Command 键点击类名（如 NSString），可以快速跳转到它的原始定义或查看所有 Category 声明。如果配合 Shift + Command + O 快速打开文件，输入 Category 名称也能迅速定位。

四、Category 的基本用法

4.1 声明和实现

objectivec 复制代码

// NSString+Reverse.h - 声明文件
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface NSString (Reverse)
- (NSString *)reversed;
+ (NSString *)reverseString:(NSString *)strSrc;
@end

objectivec 复制代码

// NSString+Reverse.m - 实现文件
#import "NSString+Reverse.h"

@implementation NSString (Reverse)

+ (NSString *)reverseString:(NSString *)strSrc {
    NSMutableString *reversed = [NSMutableString string];
    for (NSInteger i = strSrc.length - 1; i >= 0; i--) {
        [reversed appendString:[strSrc substringWithRange:NSMakeRange(i, 1)]];
    }
    return reversed;
}

- (NSString *)reversed {
    return [NSString reverseString:self];
}

@end

4.2 命名约定

Apple 建议 Category 的文件名和 Category 名称都采用 原类名+扩展名 的格式，如 NSString+Reverse.h。

方法命名规范 ：为了避免和原始类或其他 Category 的方法冲突，建议给方法名加上前缀（如 xy_reverseString）。例如：

objectivec 复制代码

// 推荐：带前缀
- (NSString *)xy_reversedString;

// 不推荐：无前缀，可能冲突
- (NSString *)reversedString;

为什么需要前缀 ？因为 Category 的方法会被直接添加到原类的方法列表中，如果有两个 Category 定义了同名方法，最后编译的那个会生效，这种不确定性很难调试。

五、Category 能添加什么？不能添加什么？

✅ 可以添加的内容

内容	说明
实例方法	最常用，为类添加新的对象方法
类方法	为类添加新的类方法（`+` 方法）
协议	让类在 Category 中遵守新协议
属性声明	可以用 `@property` 声明属性，但不会自动生成实例变量和 setter/getter 实现

❌ 不能添加的内容

不能添加实例变量（成员变量）。这是 Category 最核心的限制。

原因：成员变量的内存布局在编译阶段 就已经确定下来了。如果 Category 可以添加实例变量，就会破坏类的内存结构，导致严重问题。Category 的特性是在运行时动态添加方法，但内存布局在编译期已定，两者之间存在根本性矛盾。

六、如何在 Category 中添加"属性"？

虽然 Category 不能直接添加实例变量，但我们可以用 关联对象（Associated Object） 来间接实现------看起来像有属性，实际上是存储在一个全局映射表里。

6.1 关联对象的 API

objectivec 复制代码

#import <objc/runtime.h>

// 设置关联对象
void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy);

// 获取关联对象
id objc_getAssociatedObject(id object, const void *key);

// 移除所有关联对象
void objc_removeAssociatedObjects(id object);

6.2 实战：给 Person 添加 name 和 weight 属性

objectivec 复制代码

// Person+Test.h
#import "Person.h"

@interface Person (Test)
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, assign) int weight;
@end

objectivec 复制代码

// Person+Test.m
#import "Person+Test.h"
#import <objc/runtime.h>

@implementation Person (Test)

- (void)setName:(NSString *)name {
    objc_setAssociatedObject(self, @selector(name), name, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
}

- (NSString *)name {
    // _cmd 相当于 @selector(name)
    return objc_getAssociatedObject(self, _cmd);
}

- (void)setWeight:(int)weight {
    objc_setAssociatedObject(self, @selector(weight), @(weight), OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}

- (int)weight {
    return [objc_getAssociatedObject(self, _cmd) intValue];
}

@end

6.3 Key 的几种常见写法

写法	示例	说明
静态变量地址	`static void *MyKey = &MyKey;`	最常用，安全
char 类型地址	`static char MyKey;`	省内存
字符串字面量	`@"name"`	简单，字符串常量地址不变
`@selector`	`@selector(name)`	与 getter 同名，语义清晰
`_cmd`	`objc_getAssociatedObject(self, _cmd)`	在 getter 方法中直接使用

6.4 关联策略（objc_AssociationPolicy）

策略	对应 property 修饰符
`OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN`	`assign`
`OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC`	`strong, nonatomic`
`OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC`	`copy, nonatomic`
`OBJC_ASSOCIATION_RETAIN`	`strong, atomic`
`OBJC_ASSOCIATION_COPY`	`copy, atomic`

6.5 关联对象的底层原理

关联对象不是存储在被关联对象本身的内存中 ，而是存储在全局统一的 AssociationsManager 中。

底层结构关系如下：

复制代码

AssociationsManager（全局管理器）
    └── AssociationsHashMap（全局哈希表）
            └── key = 对象指针（disguised_ptr_t）
                └── value = ObjectAssociationMap（该对象的所有关联属性）
                        └── key = 你传入的 key（如 @selector(name)）
                            └── value = ObjcAssociation（关联信息）
                                    ├── policy: 关联策略
                                    └── value: 实际存储的值

核心要点：

关联对象不是加在对象本身上，而是存在一张全局表里
设置 value 为 nil 等于移除该关联对象
对象销毁时，所有关联对象会被自动移除

七、Category vs Extension（类扩展）

很多人会混淆 Category 和 Extension，但它们是完全不同的机制。

对比项	Category（分类）	Extension（扩展/匿名分类）
是否有名称	✅ 有名称（括号里必须写）	❌ 匿名（括号为空）
添加时机	运行时	编译时（和类一起编译）
是否能添加实例变量	❌ 不能	✅ 可以
是否能添加属性	⚠️ 只声明，不生成实现	✅ 可以，会生成实例变量和 setter/getter
必须实现方法	不一定（调用时才需要）	必须实现
典型的声明位置	`.h` 和 `.m` 文件分开	通常在 `.m` 文件的顶部

Extension 示例

objectivec 复制代码

// Person.m 文件顶部
@interface Person ()
// 声明私有属性（会生成 _age 实例变量和 setter/getter）
@property (nonatomic, assign) NSInteger age;
// 声明私有方法
- (void)privateMethod;
@end

@implementation Person
// 必须实现 privateMethod
- (void)privateMethod {
    // ...
}
@end

八、Category 的底层原理

8.1 Category 在 Runtime 层的结构

Category 在 Runtime 层被定义为 category_t 结构体：

c 复制代码

struct category_t {
    const char *name;                          // 类名
    classref_t cls;                            // 对应的类
    struct method_list_t *instanceMethods;     // 实例方法列表
    struct method_list_t *classMethods;        // 类方法列表
    struct protocol_list_t *protocols;         // 协议列表
    struct property_list_t *instanceProperties; // 属性列表
};

从这个结构体可以看出：

Category 可以存储实例方法、类方法、协议和属性
但没有存储实例变量的字段，印证了 Category 不能添加成员变量

8.2 运行时合并过程

Category 的数据是在运行时合并到类中的，这是它和 Extension 最大的区别。

合并过程大致如下：

编译阶段 ：Category 被编译成 category_t 结构体，存储在 Mach-O 文件的 __objc_catlist 段中
Runtime 初始化 ：_objc_init() 函数调用 map_images() 读取所有模块
_read_images() 函数 ：遍历所有 Category，将 category_t 中的数据合并到对应的类和元类中
方法列表处理 ：Category 的方法被添加到类的方法列表前面（这就是同名方法会被覆盖的原因）

8.3 方法覆盖的真相

当一个 Category 和原类或另一个 Category 有同名方法 时，最后编译的那个 Category 的方法会生效。

注意：原类的方法并没有被"删除"，只是被"覆盖"了。在消息传递过程中，找到第一个匹配的方法就返回了。可以通过 Runtime 的 class_copyMethodList 打印方法列表来验证------原类的方法其实还在。

九、Category 的使用注意点

1. 方法名冲突

如果两个 Category 或 Category 与原类有同名方法 ，最后编译的那个会生效。建议给方法名加前缀 ，如 xy_xxx，避免冲突。

2. 不要覆盖原类方法

虽然 Category 可以覆盖原类方法，但不推荐这么做 。因为覆盖后你再也无法调用原类的方法，可能导致意想不到的问题。如果确实需要覆盖，考虑使用继承。

3. 分类中可以不用实现所有声明的方法

和普通类不同，在 Category 的实现文件中，你可以不用实现所有声明的方法------只要你不去调用它就不会有问题。

4. +load 方法的特殊行为

原类和 Category 的 +load 方法都会执行
执行顺序：父类 → 子类 → 分类
分类的 +load 不会覆盖原类的 +load

5. 多个同名 Category 的处理

名字相同的 Category 会引起编译报错，所以命名时要注意。

6. 关联对象与 KVO 注意事项

使用关联对象添加的属性，不参与 KVO（Key-Value Observing） ，因为它们不是真正的 @property 生成的实例变量。如果需要监听变化，需要手动在 setter 中添加 willChangeValueForKey: 和 didChangeValueForKey:。

7. Category 和 +load 方法

如果 Category 中实现了 +load 方法，它会和原类的 +load 方法一起被调用 ，不会被覆盖。但 +initialize 方法会被覆盖------只有最后一个加载的 Category 的 +initialize 会生效。

十、总结

核心知识点	结论
Category 是什么	为已有类添加方法的语言特性
能添加什么	实例方法、类方法、协议、属性声明
不能添加什么	实例变量（成员变量）
如何添加"属性"	使用关联对象（Associated Object）
加载时机	运行时（Runtime 阶段合并）
与 Extension 的区别	Extension 是编译时，Category 是运行时
方法覆盖规则	最后编译的 Category 生效
Xcode 创建方式	`New File` → `Objective-C File` → 选择 `Category` 类型

Category 是 Objective-C 非常强大的特性，合理使用可以极大提升代码的可维护性和扩展性。但也要注意它不能添加实例变量和可能引发方法冲突的局限性。关联对象是解决"给 Category 添加属性"需求的标配方案，理解其底层原理有助于更好地掌控内存管理。