Runtime原理

Runtime是iOS核心運(yùn)行機(jī)制之一，iOS App加載庫、加載類、執(zhí)行方法調(diào)用，全靠Runtime，這一塊的知識(shí)個(gè)人認(rèn)為是最基礎(chǔ)的，基本面試必問。

Runtime消息發(fā)送機(jī)制

1）iOS調(diào)用一個(gè)方法時(shí)，實(shí)際上會(huì)調(diào)用objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)，該方法第一個(gè)參數(shù)是消息接收者，第二個(gè)參數(shù)是方法名，剩下的參數(shù)是方法參數(shù)；
2）iOS調(diào)用一個(gè)方法時(shí)，會(huì)先去該類的方法緩存列表里面查找是否有該方法，如果有直接調(diào)用，否則走第3）步；
3）去該類的方法列表里面找，找到直接調(diào)用，把方法加入緩存列表；否則走第4）步；
4）沿著該類的繼承鏈繼續(xù)查找，找到直接調(diào)用，把方法加入緩存列表；否則消息轉(zhuǎn)發(fā)流程；
很多面試者大體知道這個(gè)流程，但是有關(guān)細(xì)節(jié)不是特別清楚。

• 問他/她objc_msgSend第一個(gè)參數(shù)、第二個(gè)參數(shù)、剩下的參數(shù)分別代表什么，不知道；
• 很多人只知道去方法列表里面查找，不知道還有個(gè)方法緩存列表。
  通過這些細(xì)節(jié)，可以了解一個(gè)人是否真正掌握了原理，而不是死記硬背。

Runtime消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

如果在消息發(fā)送階段沒有找到方法，iOS會(huì)走消息轉(zhuǎn)發(fā)流程，流程圖如下所示：

1）動(dòng)態(tài)消息解析。檢查是否重寫了resolveInstanceMethod 方法，如果返回YES則可以通過class_addMethod 動(dòng)態(tài)添加方法來處理消息，否則走第2）步；
2）消息target轉(zhuǎn)發(fā)。forwardingTargetForSelector 用于指定哪個(gè)對(duì)象來響應(yīng)消息。如果返回nil 則走第3）步；
3）消息轉(zhuǎn)發(fā)。這步調(diào)用 methodSignatureForSelector 進(jìn)行方法簽名，這可以將函數(shù)的參數(shù)類型和返回值封裝。如果返回 nil 執(zhí)行第四步；否則返回 methodSignature，則進(jìn)入 forwardInvocation ，在這里可以修改實(shí)現(xiàn)方法，修改響應(yīng)對(duì)象等，如果方法調(diào)用成功，則結(jié)束。否則執(zhí)行第4）步；
4）報(bào)錯(cuò) unrecognized selector sent to instance。
很多人知道這四步，但是筆者一般會(huì)問：

• 怎么在項(xiàng)目里全局解決"unrecognized selector sent to instance"這類crash？本人發(fā)現(xiàn)很多人回答不出來，說明面試者肯定是在死記硬背，你都知道因?yàn)橄⑥D(zhuǎn)發(fā)那三步都沒處理才會(huì)報(bào)錯(cuò)，為什么不知道在消息轉(zhuǎn)發(fā)里面處理呢？
• 如果面試者知道可以在消息轉(zhuǎn)發(fā)里面處理，防止崩潰，再問下面試者，你項(xiàng)目中是在哪一步處理的，看看其是否有真正實(shí)踐過？

消息緩存機(jī)制

• Runtime為每個(gè)類(不是每個(gè)類實(shí)例)緩存了一個(gè)方法列表，該方法列表采用hash表實(shí)現(xiàn)，hash表的優(yōu)點(diǎn)是查找速度快，時(shí)間為O(1)。
• 父類方法的緩存只存在父類么，還是子類也會(huì)緩存父類的方法？
  子類會(huì)緩存父類的方法。
• 類的方法緩存大小有沒有限制？
  在objc-cache.mm有一個(gè)變量_class_slow_grow定義如下：

/* When _class_slow_grow is non-zero, any given cache is actually grown
 * only on the odd-numbered times it becomes full; on the even-numbered
 * times, it is simply emptied and re-used.  When this flag is zero,
 * caches are grown every time. */
static const int _class_slow_grow = 1;

注釋中說明，當(dāng)_class_slow_grow是非0值的時(shí)候，只有當(dāng)方法緩存第奇數(shù)次滿（使用的槽位超過3/4）的時(shí)候，方法緩存的大小才會(huì)增長(zhǎng)（會(huì)清空緩存，否則hash值就不對(duì)了）；當(dāng)?shù)谂紨?shù)次滿的時(shí)候，方法緩存會(huì)被清空并重新利用。 如果_class_slow_grow值為0，那么每一次方法緩存滿的時(shí)候，其大小都會(huì)增長(zhǎng)。
所以單就問題而言，答案是沒有限制，雖然這個(gè)值被設(shè)置為1，方法緩存的大小增速會(huì)慢一點(diǎn)，但是確實(shí)是沒有上限的。

• 為什么類的方法列表不直接做成散列表呢，做成list，還要單獨(dú)緩存？
  1、散列表是沒有順序的，Objective-C的方法列表是一個(gè)list，是有順序的；Objective-C在查找方法的時(shí)候會(huì)順著list依次尋找，并且category的方法在原始方法list的前面，需要先被找到，如果直接用hash存方法，方法的順序就沒法保證。
  2、list的方法還保存了除了selector和imp之外其他很多屬性
  3、散列表是有空槽的，會(huì)浪費(fèi)空間
  參考資料：深入理解 Objective-C：方法緩存

load與initialize

load與initialize調(diào)用時(shí)機(jī)

+load在main函數(shù)之前被Runtime調(diào)用，+initialize 方法是在類或它的子類收到第一條消息之前被調(diào)用的，這里所指的消息包括實(shí)例方法和類方法的調(diào)用。

load與initialize在分類、繼承鏈的調(diào)用順序

load方法調(diào)用順序

父類->主類->分類

• 主類的 +load 方法會(huì)在它的所有父類的 +load 方法之后執(zhí)行。如果主類沒有實(shí)現(xiàn) +load 方法，當(dāng)它被runtime加載時(shí) 是不會(huì)去調(diào)用父類的 +load 方法的。
• 分類的 +load 方法會(huì)在它的主類的 +load 方法之后執(zhí)行,當(dāng)一個(gè)類和它的分類都實(shí)現(xiàn)了 +load 方法時(shí)，兩個(gè)方法都會(huì)被調(diào)用。當(dāng)有多個(gè)分類時(shí)，根據(jù)編譯順序（Build Phases->Complie Sources中的順序）依次執(zhí)行。
• 在類的+load方法調(diào)用的時(shí)候，可以調(diào)用category中聲明的方法么？
  可以調(diào)用，因?yàn)楦郊觕ategory到類的工作會(huì)先于+load方法的執(zhí)行

initialize的調(diào)用順序

+initialize 方法的調(diào)用與普通方法的調(diào)用是一樣的，走的都是消息發(fā)送的流程。如果子類沒有實(shí)現(xiàn) +initialize 方法，那么繼承自父類的實(shí)現(xiàn)會(huì)被調(diào)用；如果一個(gè)類的分類實(shí)現(xiàn)了 +initialize 方法，那么就會(huì)對(duì)這個(gè)類中的實(shí)現(xiàn)造成覆蓋。

確保在load和initialize的調(diào)用只執(zhí)行一次

由于initialize可能會(huì)調(diào)用多次，所以在這兩個(gè)方法里面做的初始化操作需要保證只初始化一次，用dispatch_once來控制

類別

OC不像C++等高級(jí)語言能直接繼承多個(gè)類，不過OC可以使用類別和協(xié)議來實(shí)現(xiàn)多繼承。

類別加載時(shí)機(jī)

• 在App加載時(shí)，Runtime會(huì)把Category的實(shí)例方法、協(xié)議以及屬性添加到類上；把Category的類方法添加到類的metaclass上。
• category的方法沒有“完全替換掉”原來類已經(jīng)有的方法，如果category和原來類都有methodA，那么category附加完成之后，類的方法列表里會(huì)有兩個(gè)methodA。
• category的方法被放到了新方法列表的前面，而原來類的方法被放到了新方法列表的后面，這也就是我們平常所說的category的方法會(huì)“覆蓋”掉原來類的同名方法，這是因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)在查找方法的時(shí)候是順著方法列表的順序查找的，它只要一找到對(duì)應(yīng)名字的方法，就會(huì)停止查找，殊不知后面可能還有一樣名字的方法。

類別和擴(kuò)展區(qū)別

• extension在編譯期決議，它是類的一部分，在編譯期和頭文件里的@interface以及實(shí)現(xiàn)文件里的@implement一起形成一個(gè)完整的類，它伴隨類的產(chǎn)生而產(chǎn)生，亦隨之一起消亡。extension一般用來隱藏類的私有信息，你必須有一個(gè)類的源碼才能為一個(gè)類添加extension，所以你無法為系統(tǒng)的類比如NSString添加extension。
• 但是category則完全不一樣，它是在運(yùn)行期決議的。 就category和extension的區(qū)別來看，我們可以推導(dǎo)出一個(gè)明顯的事實(shí)，extension可以添加實(shí)例變量，而category是無法添加實(shí)例變量的（因?yàn)樵谶\(yùn)行期，對(duì)象的內(nèi)存布局已經(jīng)確定，如果添加實(shí)例變量就會(huì)破壞類的內(nèi)部布局，這對(duì)編譯型語言來說是災(zāi)難性的）。
• category附加到類的工作會(huì)先于+load方法的執(zhí)行。

類別添加屬性、方法

• 在類別中不能直接以@property的方式定義屬性，OC不會(huì)主動(dòng)給類別屬性生成setter和getter方法；需要通過objc_setAssociatedObject來實(shí)現(xiàn)。

@interface TestClass(ak)

@property(nonatomic,copy) NSString *name;

@end

@implementation TestClass (ak)

- (void)setName:(NSString *)name{

    objc_setAssociatedObject(self,  @selector(name), name, OBJC_ASSOCIATION_COPY);
}

- (NSString*)name{
    NSString *nameObject = objc_getAssociatedObject(self,  @selector(name));
    return nameObject;
}

• objc_setAssociatedObject key的定義用@selector(屬性名)這樣能保證key的唯一。
• 關(guān)聯(lián)對(duì)象都由AssociationsManager管理。AssociationsManager里面是由一個(gè)靜態(tài)AssociationsHashMap來存儲(chǔ)所有的關(guān)聯(lián)對(duì)象的。這相當(dāng)于把所有對(duì)象的關(guān)聯(lián)對(duì)象都存在一個(gè)全局map里面。而map的的key是這個(gè)對(duì)象的指針地址（任意兩個(gè)不同對(duì)象的指針地址一定是不同的），而這個(gè)map的value又是另外一個(gè)AssociationsHashMap，里面保存了關(guān)聯(lián)對(duì)象的kv對(duì)。
  runtime的銷毀對(duì)象函數(shù)objc_destructInstance里面會(huì)判斷這個(gè)對(duì)象有沒有關(guān)聯(lián)對(duì)象，如果有，會(huì)調(diào)用_object_remove_assocations做關(guān)聯(lián)對(duì)象的清理工作

類別同名方法覆蓋問題

• 如果類別和主類都有名叫funA的方法，那么在類別加載完成之后，類的方法列表里會(huì)有兩個(gè)funA；
• 類別的方法被放到了新方法列表的前面，而主類的方法被放到了新方法列表的后面，這就造成了類別方法會(huì)“覆蓋”掉原來類的同名方法，這是因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)在查找方法的時(shí)候是順著方法列表的順序查找的，它只要一找到對(duì)應(yīng)名字的方法，就會(huì)停止查找；
• 如果多個(gè)類別定義了同名方法funA,具體調(diào)用哪個(gè)類別的實(shí)現(xiàn)由編譯順序決定（Build Phases->Complie Sources中的順序），后編譯的類別的實(shí)現(xiàn)將被調(diào)用。
• 在日常開發(fā)過程中，類別方法重名輕則造成調(diào)用不正確，重則造成crash，我們可以通過給類別方法名加前綴避免方法重名。

怎么調(diào)用被覆蓋掉的方法

category其實(shí)并不是完全替換掉原來類的同名方法，只是category在方法列表的前面而已，所以我們只要順著方法列表找到最后一個(gè)對(duì)應(yīng)名字的方法，就可以調(diào)用原來類的方法。

Class currentClass = [TestClass class];
TestClass *my = [[TestClass alloc] init];

if (currentClass) {
    unsigned int methodCount;
    Method *methodList = class_copyMethodList(currentClass, &methodCount);
    IMP lastImp = NULL;
    SEL lastSel = NULL;
    for (NSInteger i = 0; i < methodCount; i++) {
        Method method = methodList[i];
        NSString *methodName = [NSString stringWithCString:sel_getName(method_getName(method)) 
                                        encoding:NSUTF8StringEncoding];
        if ([@"printName" isEqualToString:methodName]) {
            lastImp = method_getImplementation(method);
            lastSel = method_getName(method);
        }
    }
    typedef void (*fn)(id,SEL);

    if (lastImp != NULL) {
        fn f = (fn)lastImp;
        f(my, lastSel);
    }
    free(methodList);
}   

關(guān)于類別更深入的解析可以參見美團(tuán)的技術(shù)文章深入理解Objective-C：Category

協(xié)議

定義

iOS中的協(xié)議類似于Java、C++中的接口類，協(xié)議在OC中可以用來實(shí)現(xiàn)多繼承和代理。

方法聲明

協(xié)議中的方法可以聲明為@required（要求實(shí)現(xiàn)，如果沒有實(shí)現(xiàn)，會(huì)發(fā)出警告，但編譯不報(bào)錯(cuò)）或者@optional（不要求實(shí)現(xiàn)，不實(shí)現(xiàn)也不會(huì)有警告）。如果不聲明，默認(rèn)為@required。
筆者經(jīng)常會(huì)問面試者如下兩個(gè)問題：
-怎么判斷一個(gè)類是否實(shí)現(xiàn)了某個(gè)協(xié)議？很多人不知道可以通過conformsToProtocol來判斷。
-假如你要求業(yè)務(wù)方實(shí)現(xiàn)一個(gè)delegate，你怎么判斷業(yè)務(wù)方有沒有實(shí)現(xiàn)dalegate的某個(gè)方法？很多人不知道可以通過respondsToSelector來判斷。

其他

Class的定義

在oc中打開objc.h

typedef struct objc_class *Class;     //Class是指向結(jié)構(gòu)體objc_class的指針

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY; //isa，代表的是該類類對(duì)象

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE; //父類
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE; //類名
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE; 
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE; //對(duì)象大小
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE; //成員變量列表
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE; //實(shí)例方法列表
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE; //方法緩存列表（是個(gè)hash表），用來消息發(fā)送時(shí)候，快速查找方法
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE; //類實(shí)現(xiàn)協(xié)議列表
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

怎么枚舉一個(gè)類的方法列表？

class_copyMethodList

怎么枚舉一個(gè)類的屬性列表？

class_copyPropertyList

怎么枚舉一個(gè)類的成員變量列表？

class_copyIvarList

怎么枚舉一個(gè)類實(shí)現(xiàn)的協(xié)議列表？

class_copyProtocolList

id和instancetype的區(qū)別

• id能用做返回值、參數(shù)。instancetype只能用做返回值。
• instancetype是類型相關(guān)的，如果把一個(gè)instancetype的對(duì)象賦值給另外類，編譯器會(huì)警告。id不會(huì)。

Runtime開源代碼

runtime是開源的，可以在Apple Github和Apple OpenSource下載來閱讀。
參考資料：
Objective-C中的Runtime