深入理解Objective-C Runtime

一、简介

主要特点：

• 在OC语言中，函数的调用是属于动态调用的，编译阶段并不确定要调用的函数，在真正的运行时才会根据函数名查找要调用哪个函数。
• 而在C语言中，函数的调用是在编译阶段就已经确定要调用哪个函数。
• 可以调用私有的方法。
• Runtime一般是针对系统的类进行操作。

Xcode6之前，苹果不介意开发者使用Runtime的底层函数，且有参数提示。

Xcode6之后，苹果不推荐开发者使用Runtime的底层函数，也没有了参数提示。可以到build setting ⟹ 搜索msg ⟹ 把Enable Strict Checking of

objc_msgSend Calls设置成NO即可，即：不使objc_msgsend严格检查要求。这时使用Xcode敲Runtime函数就会有参数提示。

关键术语：

• 类对象：是用来创建实例对象的类，本身也是一个对象，也会分配内存。
• 类方法：以加号(+)开头，保存在所属的元类的方法列表中。
• 实例对象：就是一个类对象通过实例化产生的对象。
• 实例方法：以减号(-)开头，就是对象的方法，保存在所属的类对象的方法列表中。
• SEL：又叫选择器，是表示一个方法的selector的指针，方法的selector用于表示运行时方法的名字。定义为：typedef struct objc_selector *SEL;，两个类之间，不管它们是父类与子类的关系，还是之间没有这种关系，只要方法名相同，那么方法的SEL就是一样的。每一个方法都对应着一个SEL。所以在 Objective-C同一个类(及类的继承体系)中，不能存在2个同名的方法，即使参数类型不同也不行。相同的方法只能对应一个SEL。不同的类可以拥有相同的selector，这个没有问题。不同类的实例对象执行相同的selector时，会在各自的方法列表中去根据selector去寻找自己对应的IMP。工程中的所有的SEL组成一个Set集合，Set的特点就是唯一，因此SEL是唯一的。因此，如果我们想到这个方法集合中查找某个方法时，只需要去找到这个方法对应的SEL就行了，SEL实际上就是根据方法名hash化了的一个字符串，而对于字符串的比较仅仅需要比较他们的地址就可以了 本质上，SEL只是一个指向方法的指针。
• IMP：实际上是一个函数指针，指向方法实现的首地址。其定义为：id (*IMP)(id, SEL, ...)；，第一个参数是指向self的指针(如果是实例方法，则是类实例的内存地址；如果是类方法，则是指向元类的指针)，第二个参数是方法选择器(selector)，接下来是方法的实际参数列表。

二、Runtime的用法

1、发送消息。

• 方法调用的本质，就是让对象发送消息，底层实现是调用函数objc_msgSend(id self, SEL op, ...)，参数"id self"是向谁发送消息，"SEL op"是发送什么消息，"..."是方法的参数。
• 使用此函数需导入头文件#import <objc/message.h>。
• 在命令行用clang -rewrite-objc main.m可查看最终生成的代码。
• 消息机制实现原理是，对象根据方法编号SEL去映射表中查找对应的方法实现。

   1 #import "ViewController.h"
   2 #import <objc/message.h>
   3 
   4 @implementation ViewController
   5 - (void)viewDidLoad {
   6     [super viewDidLoad];
   7 //    NSString *str = [[NSString alloc] init];
   8 //    str = [str stringByAppendingString:@"haha"];
   9 //
  10 //    如下是底层实现
  11 //    NSString *str = objc_msgSend([NSString class], @selector(alloc));
  12 //    str = objc_msgSend(str, @selector(init));
  13 //    str = objc_msgSend(str, @selector(stringByAppendingString:), @"hahaha");
  14 //    如下是更底层实现
  15     // objc_getClass()获取类对象，sel_getUid()注册方法，同sel_registerName()、@selector()和NSSelectorFromString()。

  16     NSString *str = objc_msgSend(objc_getClass("NSString"), sel_getUid("alloc"));
  17     str = objc_msgSend(str, sel_getUid("init"));
  18     str = objc_msgSend(str, sel_getUid("stringByAppendingString:"), @"haha");
  19 }
  20 
  21 @end

方法调用过程：对象接收到消息 ⟹ 根据isa指针找到对应的类对象 ⟹ 根据方法名注册一个方法编号 ⟹ 根据方法编号在类对象的方法列表中查找对象的方法(其实是方法实现的地址) ⟹ 根据指定地址去方法代码区找到方法的实现，传递参数并执行方法。

2、交换方法。

当系统自带的方法功能不够用时，可以用交换方法的方式给系统自带的方法扩展一些功能，并保持原有的功能不受影响。

操作步骤：

• 先给类对象添加一个分类。
• 自己实现一个带有扩展功能的方法。
• 交换方法，一般在load或initialize方法中操作。

创建分类：

• 1 // 给UIImage扩充一个功能：当图片加载完成后，打印出成功或失败信息。
  2 // 给UIImage定义一个分类extension。
  3 #import <UIKit/UIKit.h>
  4 
  5 @interface UIImage (extension)
  6 @end

实现自己的方法，用自己的方法交换系统的方法：

•  1 #import "UIImage+extension.h"
   2 #import <objc/message.h>
   3 
   4 @implementation UIImage (extension)
   5 
   6 // 只要此类被项目引用，程序启动时就会调用这个方法。
   7 + (void)load {
   8     // 这个函数用来获取类的方法。第一个参数：获取哪个类的方法。第二个参数：获取哪个方法。
   9     Method imageNamed = class_getClassMethod(self, sel_getUid("imageNamed:"));
  10     Method hl_imageNamed = class_getClassMethod(self, sel_getUid("hl_imageNamed:"));
  11     
  12     // 交换两个方法的实现部分。
  13     // 即调用imageNamed就会执行hl_imageNamed的实现，调用hl_imageNamed就会执行imageNamed的实现。
  14     method_exchangeImplementations(imageNamed, hl_imageNamed);
  15 }
  16 
  17 // 一个带有扩展系统功能的方法实现。
  18 + (UIImage *)hl_imageNamed:(NSString *)name {
  19     // 此时会调用imageNamed的系统实现部分，因为实现部分已经做了交换。
  20     UIImage *image = [self hl_imageNamed:name];
  21     if (image) {
  22         NSLog(@"图片加载成功。");
  23     } else {
  24         NSLog(@"图片加载失败。");
  25     }
  26     return image;
  27 }
  28 
  29 @end

在控制器中测试一下交换后的效果：

•  1 #import "ViewController.h"
   2 #import "UIImage+extension.h"
   3 
   4 @implementation ViewController
   5 
   6 - (void)viewDidLoad {
   7     [super viewDidLoad];
   8     UIImage *img = [UIImage imageNamed:@"123"];
   9 }
  10 
  11 @end

3、动态添加方法。

在OC中，只要某个方法实现了，就会被加载到类对象的方法列表中。然而有些方法不一定会用，或着极少用到，如果同样加载到方法列表中，对系统的内存会增加一些压力。这种情况下可以用Runtime让方法在真正用到时再添加。

动态调用方法：

•  1 #import "ViewController.h"
   2 #import "Student.h"
   3 
   4 @implementation ViewController
   5 
   6 - (void)viewDidLoad {
   7     [super viewDidLoad];
   8     
   9     Student *student = [[Student alloc] init];
  10     // 动态调用Student的实例方法sing。
  11     [student performSelector:@selector(sing)];
  12     // 动态调用Student的实例方法并传入两个参数。
  13     [student performSelector:@selector(age:height:) withObject:@20 withObject:@180.0];
  14 }
  15 
  16 @end

动态添加方法：

•  1 #import "Student.h"
   2 #import <objc/message.h>
   3 
   4 @implementation Student
   5 
   6 // 函数不会放入方法列表，系统默认传递的隐式参数id self(当前类对象或者实例对象)和SEL _cmd(当前方法的编号)。
   7 void sing(id self, SEL _cmd) {
   8     NSLog(@"哥在唱歌");
   9 }
  10 
  11 void ageAndHeight(id self, SEL _cmd, NSNumber *age, NSNumber *height) {
  12     NSLog(@"年龄是：%@，身高是：%@", age, height);
  13 }
  14 
  15 // 只要调用了一个未实现的方法，就会调用这个方法进行处理。
  16 + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
  17     if (sel == NSSelectorFromString(@"sing")) {
  18         // __unsafe_unretained Class cls:给哪个类添加方法。
  19         // SEL name:添加什么方法。
  20         // IMP imp:方法实现的函数。
  21         // const char *types:方法类型。
  22         class_addMethod([self class], sel, (IMP)sing, "v@:");
  23     } else if (sel == NSSelectorFromString(@"age:height:")) {
  24         class_addMethod([self class], sel, (IMP)ageAndHeight, "v@:@@");
  25     }
  26     return [super resolveInstanceMethod:sel];
  27 }
  28 
  29 @end

函数类型表：

• 函数类型的表示：即class_addMethod(__unsafe_unretained Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)的最后一个参数。

  CodeMeaning
  c                   A char
  i                   An int
  s                   A short
  l                   A long, l is treated as a 32-bit quantity on 64-bit programs.
  q                   A long long
  C                   An unsigned char
  I                   An unsigned int
  S                   An unsigned short
  L                   An unsigned long
  Q                   An unsigned long long
  f                   A float
  d                   A double
  B                   A C++ bool or a C99 _Bool
  v                   A void
  *                   A character string (char *)
  @                   An object (whether statically typed or typed id)
  #                   A class object (Class)
  :                   A method selector (SEL)
  [array type]        An array
  {name=type...}      A structure
  (name=type...)      A union
  bnum                A bit field of num bits
  ^type               A pointer to type
  ?                   An unknown type (among other things, this code is used for function pointers)

4、动态添加属性。

动态添加属性的本质是让某个属性和某个对象产生关联。开发中为系统的类添加属性时一般采用Runtime动态添加的方式来解决。

给系统的类对象扩展一个分类：

• 1 #import <UIKit/UIKit.h>
  2 
  3 @interface UIImageView (extension)
  4 // 在分类中用@property，只会生成get和set方法的声明，不会生成实现代码和下划线成员变量。
  5 // get和set的实现方法需要在implementation中实现。
  6 // 因为@property在分类中不会生成成员变量，所以这些copy、nonatomic等策略是无效的，可以不写。
  7 @property NSString *name;
  8 
  9 @end

实现getter和setter方法，在set方法中添加属性，在get方法中获取属性：

•  1 #import "UIImageView+extension.h"
   2 #import <objc/message.h>
   3 
   4 @implementation UIImageView (extension)
   5 
   6 - (void)setName:(NSString *)name {
   7     // id object：给哪个对象添加属性。
   8     // const void *key：属性名称。
   9     // id value：属性值。
  10     // objc_AssociationPolicy policy：属性的保存策略，是一个枚举，相当于assign、retain、copy等。
  11     objc_setAssociatedObject(self, @"name", name, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
  12 }
  13 
  14 - (NSString *)name {
  15     return objc_getAssociatedObject(self, @"name");
  16 }
  17 
  18 @end

测试一下效果：

•  1 #import "ViewController.h"
   2 #import "UIImageView+extension.h"
   3 
   4 @implementation ViewController
   5 
   6 - (void)viewDidLoad {
   7     [super viewDidLoad];
   8     UIImageView *iconView = [[UIImageView alloc] init];
   9     iconView.name = @"大图片";
  10     NSLog(@"%@", iconView.name);
  11 }
  12 
  13 @end

三、相关函数。

1、objc_xxx 系列函数，关注于宏观使用，如类与协议的空间分配、注册、注销等操作。

2、class_xxx 系列函数，关注于类的内部，如实例变量、属性、方法、协议等相关问题。

3、object_xxx 系列函数，关注于对象的角度,如实例变量。

4、method_xxx 系列函数，关注于方法内部,如果方法的参数及返回值类型和方法的实现。

5、property_xxx 系列函数，关注于属性内部,如属性的特性等。

6、protocol_xxx 系列函数。

7、ivar_xxx 系列函数。

8、sel_xxx 系列函数。

9、imp_xxx 系列函数。