真的搞懂了runtime？

[TOC]

runtime简介

runtime简称运行时。是一套底层的 C 语言 API，是 iOS 系统的核心之一，也是OC之所以使动态化语言的原因。开发者在编码过程中，可以给任意一个对象发送消息，在编译阶段只是确定了要向接收者发送这条消息，而接受者将要如何响应和处理这条消息，那就要看运行时来决定了。

对于C语言，调用一个方法其实就是跳到内存中的某一点并开始执行一段代码。没有任何动态的特性，因为这在编译时就决定好了。

对于OC语言，属于动态调用过程，在编译的时候并不能决定真正调用哪个函数，只有在真正运行的时候才会根据函数的名称找到对应的函数来调用。在编译阶段，OC可以调用任何函数，即使这个函数并未实现，只要声明过就不会报错。

所以运行时机制的两个中心就是：类的动态配置、消息传递。

几个关键点

类的本质

在 Objective-C 中，类、对象和方法都是一个 C 的结构体，从 objc/objc.h 头文件中，我们可以找到他们的定义：

//Objc2.0以后objc_class的定义：

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;
}

--------------------------------------------------------------------------------------------
//2.0之前
struct objc_object {  
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY; //指向元类
};

struct objc_class {  
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    Class super_class;        //指向父类
    const char *name;         //类名
    long version;             //类的版本号
    long info;             	  //标志位
    long instance_size;       //实例变量的大小(包括从父类继承下来的实例变量)
    struct objc_ivar_list *ivars;             //用于存储每个成员变量的地址
    **struct objc_method_list **methodLists**;//与 info 的一些标志位有关,如CLS_CLASS (0x1L),则存储对象方法，如CLS_META (0x2L)，则存储类方法;
    **struct objc_cache *cache**;             //指向最近使用的方法的指针，用于提升效率
    struct objc_protocol_list *protocols;     //存储该类遵守的协议
#endif
};

struct objc_method_list {  
    struct objc_method_list *obsolete;
    int method_count;

#ifdef __LP64__
    int space;
#endif

    /* variable length structure */
    struct objc_method method_list[1];
};

struct objc_method {  
    SEL method_name;
    char *method_types;    /* a string representing argument/return types */
    IMP method_imp;
};

把源码的定义转化成类图，就是下图的样子：

从上述源码中，我们可以看到，Objective-C 对象都是 C 语言结构体实现的，在objc2.0中，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，这也就是我们平时遇到的id类型。这个结构体中就只包含了一个isa_t类型的结构体。这个结构体在下面会详细分析。

objc_class继承于objc_object。所以在objc_class中也会包含isa_t类型的结构体isa。至此，可以得出结论：Objective-C 中类也是一个对象。在objc_class中，除了isa之外，还有3个成员变量，一个是父类的指针，一个是方法缓存，最后一个这个类的实例方法链表。

object类和NSObject类里面分别都包含一个objc_class类型的isa。

上图的左半边类的关系描述完了，接着先从isa来说起。

当一个对象的实例方法被调用的时候，会通过isa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。

isa指针和元类

因为在 Objective-C 中，对象的方法并没有存储于对象的结构体中（如果每一个对象都保存了自己能执行的方法，那么对内存的占用有极大的影响）。

当实例方法被调用时，它要通过自己持有的 isa 来查找对应的类，然后在这里的 class_data_bits_t 结构体中查找对应方法的实现。同时，每一个 objc_class 也有一个指向自己的父类的指针 super_class 用来查找继承的方法。

类方法的实现又是如何查找并且调用的呢？这时，就需要引入元类来保证无论是类还是对象都能通过相同的机制查找方法的实现。 objc-isa-meta-class

让每一个类的 isa 指向对应的元类，这样就达到了使类方法和实例方法的调用机制相同的目的：

实例方法调用时，通过对象的 isa 在类中获取方法的实现
类方法调用时，通过类的 isa 在元类中获取方法的实现

meta-class之所以重要，是因为它存储着一个类的所有类方法。每个类都会有一个单独的meta-class，因为每个类的类方法基本不可能完全相同。

isa的实现可以看这里：

从 NSObject 的初始化了解 isa

神经病院Objective-C Runtime入院第一天——isa和Class

下面这张图介绍了对象，类与元类之间的关系，笔者认为已经觉得足够清晰了，所以不在赘述。

SEL

是一个SEL方法选择器。SEL其主要作用是快速的通过方法名字查找到对应方法的函数指针，然后调用其函数。SEL其本身是一个Int类型的地址，地址中存放着方法的名字。Objective-C在编译时，会依据每一个方法的名字、参数序列，生成一个唯一的整型标识(Int类型的地址)，这个标识就是SEL。

SEL的作用是作为IMP的KEY，存储在NSSet中，便于hash快速查询方法。SEL不能相同，对应方法可以不同。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，就算参数类型不同。多个方法可以有同一个SEL。

对于一个类中。每一个方法对应着一个SEL。所以一个类中不能存在2个名称相同的方法，即使参数类型不同，因为SEL是根据方法名字生成的，相同的方法名称只能对应一个SEL。不同的类可以有相同的方法名。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。

IMP

IMP是指向实现函数的指针，通过SEL取得IMP后，我们就获得了最终要找的实现函数的入口。

Method

这个结构体相当于在SEL和IMP之间作了一个绑定。这样有了SEL，我们便可以找到对应的IMP，从而调用方法的实现代码。（在运行时才将SEL和IMP绑定, 动态配置方法）

消息发送流程

//本质是会将类名转化成类对象，初始化方法其实是在创建类对象。
[Person eat];

// Person只是表示一个类名，并不是一个真实的对象。只要是方法必须要对象去调用。
// RunTime 调用类方法同样，类方法也是类对象去调用，所以需要获取类对象，然后使用类对象去调用方法。
Class personclass = [Persion class];
[[Persion class] performSelector:@selector(eat)];

// 类对象发送消息
objc_msgSend(personclass, @selector(eat));

首先，通过 obj 的 isa 指针找到它的 class ;
在class的cache中看是否有已缓存的方法实现(method_name 作为 key ，method_imp 为 value)；
在 class 的 method list 找 eat;
如果 class 中没到 eat，继续往它的 superclass 中找 ;
一旦找到 foo 这个函数，就去执行它的实现IMP .

动态方法解析和转发

在上面的例子中，如果 eat 没有找到会发生什么？通常情况下，程序会在运行时挂掉并抛出 unrecognized selector sent to … 的异常。但在异常抛出前，Objective-C 的运行时会给你三次拯救程序的机会：

Method resolution
Fast forwarding
Normal forwarding

Method Resolution（给你个机会实现它）

首先，Objective-C 运行时会调用 +resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod:，让你有机会提供一个函数实现。如果你添加了函数并返回 YES，那运行时系统就会重新启动一次消息发送的过程。还是以 eat 为例，你可以这么实现：

void EatMethod(id obj, SEL _cmd)  {
    NSLog(@"Doing eat");
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)aSEL{
    if(aSEL == @selector(eat:)){
        class_addMethod([self class], aSEL, (IMP)EatMethod, "v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod];
}

//---------------------------------------------------------------------------------------------------------
//PS：iOS 4.3 加入很多新的 runtime 方法，主要都是以 imp 为前缀的方法，比如imp_implementationWithBlock()用 block 快速创建一个 imp 。上面的例子可以重写成：
IMP eatIMP = imp_implementationWithBlock(^(id _self) {  
    NSLog(@"Doing eat");
});

class_addMethod([self class], aSEL, eatIMP, "v@:");

Core Data 有用到这个方法。NSManagedObjects 中 properties 的 getter 和 setter 就是在运行时动态添加的。

Fast forwarding（备胎对象呢）

如果 resolve 方法返回 NO ，运行时就会移到消息转发（Message Forwarding）。

如果目标对象实现了 -forwardingTargetForSelector: ，Runtime 这时就会调用这个方法，给你把这个消息转发给其他对象的机会。

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
{
    if(aSelector == @selector(foo:)){
        return alternateObject;
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

只要这个方法返回的不是 nil 和 self，整个消息发送的过程就会被重启，当然发送的对象会变成你返回的那个对象。否则，就会继续 Normal Fowarding 。

这里叫 Fast ，只是为了区别下一步的转发机制。因为这一步不会创建任何新的对象，但下一步转发会创建一个 NSInvocation 对象，所以相对更快点。

Normal forwarding（那就正式转发了吧）

这一步是 Runtime 最后一次给你挽救的机会。首先它会发送 -methodSignatureForSelector: 消息获得函数的参数和返回值类型。如果 -methodSignatureForSelector: 返回 nil ，Runtime 则会发出 -doesNotRecognizeSelector: 消息，程序这时也就挂掉了。如果返回了一个函数签名，Runtime 就会创建一个 NSInvocation 对象并发送 -forwardInvocation: 消息给目标对象。

NSInvocation 实际上就是对一个消息的描述，包括selector 以及参数等信息。所以你可以在 -forwardInvocation: 里修改传进来的 NSInvocation 对象，然后发送 -invokeWithTarget: 消息给它，传进去一个新的目标：

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation
{
    SEL sel = invocation.selector;

    if([alternateObject respondsToSelector:sel]) {
        [invocation invokeWithTarget:alternateObject];
    } 
    else {
        [self doesNotRecognizeSelector:sel];
    }
}

runtime的应用

Method Swizzling

首先定义一个类别，添加将要 Swizzled 的方法：

@implementation UIViewController (Logging)

- (void)swizzled_viewDidAppear:(BOOL)animated
{
    // call original implementation
    [self swizzled_viewDidAppear:animated];

    // Logging
    [Logging logWithEventName:NSStringFromClass([self class])];
}

接下来实现 swizzle 的方法：

@implementation UIViewController (Logging)

void swizzleMethod(Class class, SEL originalSelector, SEL swizzledSelector)  
{
    // the method might not exist in the class, but in its superclass
    Method originalMethod = class_getInstanceMethod(class, originalSelector);
    Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(class, swizzledSelector);

    // class_addMethod will fail if original method already exists
    BOOL didAddMethod = class_addMethod(class, originalSelector, method_getImplementation(swizzledMethod), method_getTypeEncoding(swizzledMethod));

    // the method doesn’t exist and we just added one
    if (didAddMethod) {
        class_replaceMethod(class, swizzledSelector, method_getImplementation(originalMethod), method_getTypeEncoding(originalMethod));
    } 
    else {
        method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
    }
}

这里唯一可能需要解释的是 class_addMethod 。要先尝试添加原 selector 是为了做一层保护，因为如果这个类没有实现 originalSelector ，但其父类实现了，那 class_getInstanceMethod 会返回父类的方法。这样 method_exchangeImplementations 替换的是父类的那个方法，这当然不是你想要的。所以我们先尝试添加 orginalSelector ，如果已经存在，再用 method_exchangeImplementations 把原方法的实现跟新的方法实现给交换掉。

最后，我们只需要确保在程序启动的时候调用 swizzleMethod 方法。比如，我们可以在之前 UIViewController 的 Logging 类别里添加 +load: 方法，然后在 +load: 里把 viewDidAppear 给替换掉：

@implementation UIViewController (Logging)

+ (void)load
{
    swizzleMethod([self class], @selector(viewDidAppear:), @selector(swizzled_viewDidAppear:));
}

一般情况下，类别里的方法会重写掉主类里相同命名的方法。如果有两个类别实现了相同命名的方法，只有一个方法会被调用。但 +load: 是个特例，当一个类被读到内存的时候， runtime 会给这个类及它的每一个类别都发送一个 +load: 消息。

其实，这里还可以更简化点：直接用新的 IMP 取代原 IMP ，而不是替换。只需要有全局的函数指针指向原 IMP 就可以。

void (gOriginalViewDidAppear)(id, SEL, BOOL);

void newViewDidAppear(UIViewController *self, SEL _cmd, BOOL animated)  
{
    // call original implementation
    gOriginalViewDidAppear(self, _cmd, animated);

    // Logging
    [Logging logWithEventName:NSStringFromClass([self class])];
}

+ (void)load
{
    Method originalMethod = class_getInstanceMethod(self, @selector(viewDidAppear:));
    gOriginalViewDidAppear = (void *)method_getImplementation(originalMethod);

    if(!class_addMethod(self, @selector(viewDidAppear:), (IMP) newViewDidAppear, method_getTypeEncoding(originalMethod))) {
        method_setImplementation(originalMethod, (IMP) newViewDidAppear);
    }
}

通过 Method Swizzling ，我们成功把逻辑代码跟处理事件记录的代码解耦。

用runtime交换方法

交换方法的本质其实是交换两个方法的实现，即调换xx_ccimageNamed和imageName方法，达到调用xx_ccimageNamed其实就是调用imageNamed方法的目的

那么首先需要明白方法在哪里交换，因为交换只需要进行一次，所以在分类的load方法中，当加载分类的时候交换方法即可。

 +(void)load
{
    // 获取要交换的两个方法
    // 获取类方法  用Method 接受一下
    // class ：获取哪个类方法 
    // SEL ：获取方法编号，根据SEL就能去对应的类找方法。
    Method imageNameMethod = class_getClassMethod([UIImage class], @selector(imageNamed:));
    // 获取第二个类方法
    Method xx_ccimageNameMrthod = class_getClassMethod([UIImage class], @selector(xx_ccimageNamed:));
    // 交换两个方法的实现 方法一 ，方法二。
    method_exchangeImplementations(imageNameMethod, xx_ccimageNameMrthod);
    // IMP其实就是 implementation的缩写：表示方法实现。
}

注意：交换方法时候 xx_ccimageNamed方法中就不能再调用imageNamed方法了，因为调用imageNamed方法实质上相当于调用 xx_ccimageNamed方法，会循环引用造成死循环。

runtime字典转模型

首先来看一下KVC字典转模型和RunTime字典转模型的区别

KVC：KVC字典转模型实现原理是遍历字典中所有Key，然后去模型中查找相对应的属性名，要求属性名与Key必须一一对应，字典中所有key必须在模型中存在。

RunTime：RunTime字典转模型实现原理是遍历模型中的所有属性名，然后去字典查找相对应的Key，也就是以模型为准，模型中有哪些属性，就去字典中找那些属性。

RunTime字典转模型的优点：当服务器返回的数据过多，而我们只使用其中很少一部分时，没有用的属性就没有必要定义成属性浪费不必要的资源。只保存最有用的属性即可。

RunTime字典转模型过程 首先需要了解，属性定义在类里面，那么类里面就有一个属性列表，属性列表以数组的形式存在，根据属性列表就可以获得类里面的所有属性名，所以遍历属性列表，也就可以遍历模型中的所有属性名。所以RunTime字典转模型过程就很清晰了。

创建模型对象
```
id objc = [[self alloc] init];
```
使用class_copyIvarList方法拷贝成员属性列表
```
unsigned int count = 0;
Ivar *ivarList = class_copyIvarList(self, &count);
```
参数一：__unsafe_unretained Class cls: 获取哪个类的成员属性列表。这里是self，因为谁调用分类中类方法，谁就是self。

参数二：unsigned int *outCount: 无符号int型指针，这里创建unsigned int型count，&count就是他的地址，保证在方法中可以拿到count的地址为count赋值。传出来的值为成员属性总数。

返回值：Ivar *: 返回的是一个Ivar类型的指针。指针默认指向的是数组的第0个元素，指针+1会向高地址移动一个Ivar单位的字节，也就是指向第一个元素。Ivar表示成员属性。

遍历成员属性列表，获得属性列表

for (int i = 0 ; i < count; i++) {
     // 获取成员属性
     Ivar ivar = ivarList[i];
}

使用ivar_getName(ivar)获得成员属性名，因为成员属性名返回的是C语言字符串，将其转化成OC字符串
```
NSString *propertyName = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
```
通过ivar_getTypeEncoding(ivar)也可以获得成员属性类型。
因为获得的是成员属性名，是带_的成员属性，所以需要将下划线去掉，获得属性名，也就是字典的key。
```
// 获取key
NSString *key = [propertyName substringFromIndex:1];
```

获取字典中key对应的Value。

// 获取字典的value
id value = dict[key];

给模型属性赋值，并将模型返回

if (value) {
// KVC赋值:不能传空
[objc setValue:value forKey:key];
}
return objc;

至此已成功将字典转为模型。

super

super并不是隐藏参数，它实际上只是一个”编译器标示符”，它负责告诉编译器，当调用方法时，跳过当前类去调用父类的方法，而不是本类中的方法。self是类的一个隐藏参数，每个方法的实现的第一个参数即为self。实际上给super发消息时，super还是与self指向的是相同的消息接收者。

struct objc_super {
   __unsafe_unretained id receiver;
   __unsafe_unretained Class super_class;
};

原理：使用super来接收消息时，编译器会生成一个objc_super结构体。发送消息时，不是调用objc_msgSend函数，而是调用objc_msgSendSuper函数:

id objc_msgSendSuper ( struct objc_super *super, SEL op, ... );

该函数实际的操作是：从objc_super结构体指向的superClass的方法列表开始查找selector，找到后以objc->receiver去调用这个selector。

感谢

深入解析 ObjC 中方法的结构

从源代码看 ObjC 中消息的发送

对象是如何初始化的（iOS）

从 NSObject 的初始化了解 isa

真的搞懂了runtime？

iOS的运行核心-runtime