前言

學(xué)習(xí)Objective-C的運(yùn)行時(shí)Runtime系統(tǒng)是很有必要的。個(gè)人覺(jué)得，得之可得天下，失之則失天下。

Objective-C提供了編譯運(yùn)行時(shí)，只要有可能，它都可以動(dòng)態(tài)地運(yùn)作。這意味著不僅需要編譯器，還需要運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)執(zhí)行編譯的代碼。運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)充當(dāng)Objective-C語(yǔ)言的操作系統(tǒng)，有了它才能運(yùn)作。

運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)所提供功能是非常強(qiáng)大的，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中是經(jīng)常使用到的。比如，蘋(píng)果不允許我們給Category追加擴(kuò)展屬性，是因?yàn)樗粫?huì)自動(dòng)生成成員變量，那么我們通過(guò)運(yùn)行時(shí)就可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。另外，常見(jiàn)的模型轉(zhuǎn)字典或者字典轉(zhuǎn)模型，對(duì)象歸檔等。后續(xù)我們?cè)賮?lái)學(xué)習(xí)如何應(yīng)用，本節(jié)只是講講理論。

與Runtime交互

Objective-C程序有有三種與runtime系統(tǒng)交互的級(jí)別：

1. 通過(guò)Objective-C源代碼
2. 通過(guò)Foundation庫(kù)中定義的NSObject提供的方法
3. 通過(guò)直接調(diào)用runtime方法

通過(guò)Objective-C源代碼

在大多數(shù)的部分，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行并在后臺(tái)運(yùn)行。我們使用它只是寫(xiě)源代碼并編譯源代碼。當(dāng)編譯包含Objective-C類(lèi)和方法的代碼時(shí)，編譯器會(huì)創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)言動(dòng)態(tài)特性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)調(diào)用。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)捕獲在類(lèi)、擴(kuò)展和協(xié)議中所定義的信息。

最重要的runtime函數(shù)是發(fā)消息函數(shù)，在編譯時(shí)，編譯器會(huì)轉(zhuǎn)換成類(lèi)似objc_msgSend這樣的發(fā)送消息的函數(shù)。因此，我們通過(guò)寫(xiě)好源代碼，編譯器會(huì)自動(dòng)幫助我們編譯成runtime代碼。

通過(guò)NSObject提供的方法

在Cocoa編程中，大部分的類(lèi)都繼承于NSObject，也就是說(shuō)NSObject通常是根類(lèi)，大部分的類(lèi)都繼承于NSObject。有些特殊的情況下，NSObject只是提供了它應(yīng)該要做什么的模板，卻沒(méi)有提供所有必須的代碼。

有些NSObject提供的方法僅僅是為了查詢(xún)運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的相關(guān)信息，這此方法都可以反查自己。比如-isKindOfClass:和-isMemberOfClass:都是用于查詢(xún)?cè)诶^承體系中的位置。-respondsToSelector:指明是否接受特定的消息。+conformsToProtocol:指明是否要求實(shí)現(xiàn)在指定的協(xié)議中聲明的方法。-methodForSelector:提供方法實(shí)現(xiàn)的地址。

通過(guò)直接調(diào)用runtime函數(shù)

runtime庫(kù)函數(shù)在usr/include/objc目錄下，我們主要關(guān)注是這兩個(gè)頭文件：

#import <objc/runtime.h>
#import <objc/objc.h>

關(guān)于如何使用，后續(xù)的文章再細(xì)細(xì)講解。

消息（Message）

為什么叫消息呢？因?yàn)槊嫦驅(qū)ο缶幊讨?，?duì)象調(diào)用方法叫做發(fā)送消息。在編譯時(shí)，應(yīng)用的源代碼就會(huì)被編將對(duì)象發(fā)送消息轉(zhuǎn)換成runtime的objc_msgSend函數(shù)調(diào)用。

在Objective-C，消息在運(yùn)行時(shí)并不要求實(shí)現(xiàn)。編譯器會(huì)轉(zhuǎn)換消息表達(dá)式：

[receiver message];

在編譯時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)換成類(lèi)似這樣的函數(shù)調(diào)用：

objc_msgSend(receiver, selector);

具體會(huì)轉(zhuǎn)換成哪個(gè)，我們來(lái)看看官方的原話(huà)：

When it encounters a method call, the compiler generates a call to one of the
 *  functions \c objc_msgSend, \c objc_msgSend_stret, \c objc_msgSendSuper, or \c objc_msgSendSuper_stret.
 *  Messages sent to an object’s superclass (using the \c super keyword) are sent using \c objc_msgSendSuper; 
 *  other messages are sent using \c objc_msgSend. Methods that have data structures as return values
 *  are sent using \c objc_msgSendSuper_stret and \c objc_msgSend_stret.

也就是說(shuō)，我們是通過(guò)編譯器來(lái)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成運(yùn)行時(shí)代碼時(shí)，它會(huì)根據(jù)類(lèi)型自動(dòng)轉(zhuǎn)換成下面的其它一個(gè)函數(shù)：

• objc_msgSend：其它普通的消息都會(huì)通過(guò)該函數(shù)來(lái)發(fā)送
• objc_msgSend_stret：消息中需要有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為返回值時(shí)，會(huì)通過(guò)該函數(shù)來(lái)發(fā)送消息并接收返回值
• objc_msgSendSuper：與objc_msgSend函數(shù)類(lèi)似，只是它把消息發(fā)送給父類(lèi)實(shí)例
• objc_msgSendSuper_stret：與objc_msgSend_stret函數(shù)類(lèi)似，只是它把消息發(fā)送給父類(lèi)實(shí)例并接收數(shù)組結(jié)構(gòu)作為返回值

另外，如果函數(shù)返回值是浮點(diǎn)類(lèi)型，官方說(shuō)明如下：

 * arm:    objc_msgSend_fpret not used
 * i386:   objc_msgSend_fpret used for `float`, `double`, `long double`.
 * x86-64: objc_msgSend_fpret used for `long double`.
 *
 * arm:    objc_msgSend_fp2ret not used
 * i386:   objc_msgSend_fp2ret not used
 * x86-64: objc_msgSend_fp2ret used for `_Complex long double`.

其實(shí)這是一個(gè)條件編譯，我們不用擔(dān)心是哪種處理器上，我們只需要調(diào)用objc_msgSend_fpret函數(shù)即可。

注意事項(xiàng)：一定要調(diào)用所調(diào)用的API支持哪些平臺(tái)，亂調(diào)在導(dǎo)致部分平臺(tái)上不支持而崩潰的。

當(dāng)消息被發(fā)送到實(shí)例對(duì)象時(shí)，它是如何處理的：

messaging1.gif

我們的根類(lèi)是NSObject，它會(huì)一層一層的傳遞，直接找到要處理該消息的對(duì)象，若都沒(méi)有找到，正常情況下會(huì)出現(xiàn)Unreconized selector ...這樣的崩潰提示了。

Message Forwarding

當(dāng)發(fā)送消息給一個(gè)不處理該消息的對(duì)象是錯(cuò)誤的。然后在宣布錯(cuò)誤之前，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)給了接收消息的對(duì)象處理消息的第二個(gè)機(jī)會(huì)。

當(dāng)某對(duì)象不處理某消息時(shí)，可以通過(guò)重寫(xiě)-forwardInvocation:方法來(lái)提供一個(gè)默認(rèn)的消息響應(yīng)或者避免出錯(cuò)。當(dāng)對(duì)象中找不到方法實(shí)現(xiàn)時(shí)，會(huì)按照類(lèi)繼承關(guān)系一層層往上找。

所有元類(lèi)中的isa指針都指向根元類(lèi)，而根元類(lèi)的isa指針則指向自身。根元類(lèi)是繼承于根類(lèi)的，與根類(lèi)的結(jié)構(gòu)體成員一致，都是objc_class結(jié)構(gòu)體，不同的是根元類(lèi)的isa指針指向自身，而根類(lèi)的isa指針為nil

當(dāng)對(duì)象查詢(xún)不到相關(guān)的方法，消息得不到該對(duì)象處理，會(huì)啟動(dòng)“消息轉(zhuǎn)發(fā)”機(jī)制。消息轉(zhuǎn)發(fā)還分為幾個(gè)階段：先詢(xún)問(wèn)receiver或者說(shuō)是它所屬的類(lèi)是否能動(dòng)態(tài)添加方法，以處理當(dāng)前這個(gè)消息，這叫做“動(dòng)態(tài)方法解析”，runtime會(huì)通過(guò)+resolveInstanceMethod:判斷能否處理。如果runtime完成動(dòng)態(tài)添加方法的詢(xún)問(wèn)之后，receiver仍然無(wú)法正常響應(yīng)則Runtime會(huì)繼續(xù)向receiver詢(xún)問(wèn)是否有其它對(duì)象即其它receiver能處理這條消息，若返回能夠處理的對(duì)象，Runtime會(huì)把消息轉(zhuǎn)給返回的對(duì)象，消息轉(zhuǎn)發(fā)流程也就結(jié)束。若無(wú)對(duì)象返回，Runtime會(huì)把消息有關(guān)的全部細(xì)節(jié)都封裝到NSInvocation對(duì)象中，再給receiver最后一次機(jī)會(huì)，令其設(shè)法解決當(dāng)前還未處理的這條消息。

提示：消息處理越往后，開(kāi)銷(xiāo)也就會(huì)越大，因此最好直接在第一步就可以得到消息處理。

我們看看類(lèi)結(jié)構(gòu)體：

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

我們可以看到每個(gè)類(lèi)結(jié)構(gòu)體都會(huì)有一個(gè)isa指針，它是指向元類(lèi)的。它還有一個(gè)父類(lèi)指針super_class，指針父類(lèi)。包含了類(lèi)的名稱(chēng)name、類(lèi)的版本信息version、類(lèi)的一些標(biāo)識(shí)信息info、實(shí)例大小instance_size、成員變量地址列表ivars、方法地址列表methodLists、緩存最近使用的方法地址cache、協(xié)議列表protocols`。

我們?cè)谑褂脮r(shí)，經(jīng)常使用到Class，它就是：

typedef struct objc_class *Class;

當(dāng)類(lèi)為根類(lèi)時(shí)，它的super_class就會(huì)是nil。普通的Class存儲(chǔ)的是實(shí)例成員，如-號(hào)方法、屬性、成員變量，而isa則指向元類(lèi)，而元類(lèi)存儲(chǔ)的是靜態(tài)成員，如+號(hào)方法、static成員。

Type Encoding

我們想要通過(guò)運(yùn)行時(shí)處理各種類(lèi)型，那么我們必須要知道哪種字符代表什么類(lèi)型。