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Objective-C的runtime語言使它具備了動態(tài)語言的特性，也就是平時所說的“運行時”。在runtime的基礎(chǔ)上，可以做很多平時難以想到事，或者化簡原先較為繁雜的解決方案。

相對于靜態(tài)語言，比如C的以下程序

#include 
void run()
{}
int main()
{
    return 0;
}

執(zhí)行clang -c進行編譯后，獲取符號表nm run.o，可以得到全局唯一的符號_run，對函數(shù)run的調(diào)用直接參考鏈接后_run符號在代碼段的地址

0000000000000010 T _main
0000000000000000 T _run

對比Objective-C的以下函數(shù)

@implementation Dog : NSObject
- (void)run
{}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Dog *dog = [[Dog alloc] init];
        [dog run];
    }
    return 0;
}

執(zhí)行clang -rewrite-objc main.m將其轉(zhuǎn)換成底層C++文件后可以得到

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
        Dog *dog = ((Dog *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((Dog *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Dog"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)dog, sel_registerName("run"));
    }
    return 0;
}

可以看到，對Objective-C編譯前期，會將內(nèi)部的方法調(diào)用，轉(zhuǎn)換成調(diào)用objc_msgSend。也就是說，編譯完成后，方法地址是不能確定的，需要在運行時，通過Selector進行查找，而這正是runtime的關(guān)鍵，也就是發(fā)送消息機制。

runtime的基本要素

如上面例子所示，在編譯后[dog run]被編譯器轉(zhuǎn)化成了

((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)dog, sel_registerName("run"));

// 假設(shè)能省略(void (*)(id, SEL))(void *)和id指針強轉(zhuǎn)[實際上還是需要的]
// sel_registerName表示注冊一個selector
objc_msgSend(dog, sel_registerName("run"));

將上面的情況抽取成統(tǒng)一的說法就是，在編譯器編譯后[receiver message]會被轉(zhuǎn)化成以下形式

objc_msgSend(receiver, selector)

objc_msgSend是一個消息發(fā)送函數(shù)，它以消息接收者和方法名作為基礎(chǔ)參數(shù)。

在有參數(shù)的情況下，則會被轉(zhuǎn)換為

objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)

消息的接收者receiver在接受到消息后，查找對應(yīng)selector的實現(xiàn)，根據(jù)查找的結(jié)果可以進行若干種種不同的處理。

更深層的了解，需要了解下對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

id

上文中objc_msgSend的第一個參數(shù)有個強轉(zhuǎn)類型，即id。id是可以指向?qū)ο蟮娜f能指針，查看runtime源碼，得知其定義如下：

typedef struct objc_object *id;

// objc_object
struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
}

// isa_t
union isa_t
{
    Class cls;
    uintptr_t bits;
}

根據(jù)union聯(lián)合的存儲空間以大成員的存儲空間計算性質(zhì)，可以猜測isa_t的作用只是真不同位數(shù)處理器的優(yōu)化，我們可以直接這樣表示：

struct objc_object {
private:
    Class isa;
}

可以看出，id是一個指向objc_object結(jié)構(gòu)體的指針（注意，在runtime中對象可以用結(jié)構(gòu)體進行表示）。

objc_object結(jié)構(gòu)體包含了Class isa成員，而isa就是我們常說的創(chuàng)建一個對象時，用來指向所屬類的指針。因此根據(jù)isa就可以獲取對應(yīng)的類。

注：C++中結(jié)構(gòu)的作用被拓寬了，也表示定義一個類的類型，struct和class的區(qū)別就在默認類型上一個是public,一個是private，這里就直接描述為結(jié)構(gòu)體了

Class

上文中，isa為Class類型，而Class則是objc_class指針類型的別名：

typedef struct objc_class *Class;

而objc_class具體的定義如下：

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
}

// class_data_bits_t
struct class_data_bits_t {
    ...
public:
    class_rw_t* data() {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
    ...
}

// class_rw_t
struct class_rw_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t version;

    const class_ro_t *ro;

    union {
        method_list_t **method_lists;  // RW_METHOD_ARRAY == 1
        method_list_t *method_list;    // RW_METHOD_ARRAY == 0
    };
    struct chained_property_list *properties;
    const protocol_list_t ** protocols;

    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;

    char *demangledName;
}

// class_ro_t
struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif

    const uint8_t * ivarLayout;

    const char * name;
    const method_list_t * baseMethods;
    const protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    const property_list_t *baseProperties;
};

在上文中已經(jīng)介紹過objc_object結(jié)構(gòu)體，objc_class繼承自結(jié)構(gòu)體objc_object?？梢钥闯?code>objc_object的isa為private類型成員變量，objc_class繼承后無法訪問，所以objc_object提供了以下兩個成員函數(shù):

Class ISA();

// getIsa內(nèi)部調(diào)用ISA返回isa_t聯(lián)合中cls成員
Class getIsa();

所以，對objc_class重要的成員變量進行下解釋:

isa為指向?qū)ο髮?yīng)類的指針（這里注意一點，由于類也是一個對象（單例），所以這個單例中也有一個isa指針指向類對象所屬的類->metaClass，即元類）
superclass為指向父類的指針
cache用于對調(diào)用方法的緩存，類似CPU先訪問L1、L2、L3緩存的目的相似，它也是推斷最近調(diào)用的方法極有可能被二次調(diào)用，并將其存入cache，在二次調(diào)用時先在cache查找方法，而不是直接在類的方法列表中查找
properties為屬性列表
protocols為協(xié)議列表
method_lists/method_list為方法列表
ivars為成員變量列表
class_ro_t結(jié)構(gòu)體中存儲的都是類基本的東西，比如獲取'load'方法時，是從baseMethods獲取相應(yīng)的IMP函數(shù)實現(xiàn)的：

IMP objc_class::getLoadMethod()
{
rwlock_assert_locked(&runtimeLock);

const method_list_t *mlist;
uint32_t i;

assert(isRealized());
assert(ISA()->isRealized());
assert(!isMetaClass());
assert(ISA()->isMetaClass());

mlist = ISA()->data()->ro->baseMethods;
if (mlist) {
    for (i = 0; i < mlist->count; i++) {
        method_t *m = method_list_nth(mlist, i);
        const char *name = sel_cname(m->name);
        if (0 == strcmp(name, "load")) {
            return m->imp;
        }
    }
}

return nil;

}


其中先了解下`ivar_list_t`、`method_list_t`、`cache_t`的結(jié)構(gòu)定義：


`ivar_list_t`的結(jié)構(gòu)為：

  - `ivar_t`就是對應(yīng)的成員變量

```objc
struct ivar_list_t {
    uint32_t entsize;
    uint32_t count;
    ivar_t first;
};

method_list_t為：

其中method_iterator為結(jié)構(gòu)體自己構(gòu)造的一個迭代器，用來訪問方法，可以看到，構(gòu)造的迭代器結(jié)構(gòu)體中包含了method成員變量

struct method_list_t {
    uint32_t entsize_NEVER_USE;  // high bits used for fixup markers
    uint32_t count;
    method_t first;

    // iterate methods, taking entsize into account
    // fixme need a proper const_iterator
    struct method_iterator {
        uint32_t entsize;
        uint32_t index;  // keeping track of this saves a divide in operator-
        method_t* method;
    ...
    }

cache_t為：

可以看出bucket_t包含了一個IMP類型的私有成員，供查找后調(diào)用實現(xiàn)
_occupied和_mask分別表示實際占用的緩存_buckets總數(shù)和分配的緩存_buckets總數(shù)

struct cache_t {
    struct bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;
...
}

// bucket_t
struct bucket_t {
private:
    cache_key_t _key;
    IMP _imp;
...
}

上文還涉及到了一個概念metaClass元類，元類為類對象所屬的類，以實例解釋：

當(dāng)我們調(diào)用類方法時，消息的接收者即為類，如文中一開始的代碼：

Dog *dog = [[Dog alloc] init];

這里的alloc消息即發(fā)送給了Dog類，編譯轉(zhuǎn)換后的代碼為:

Dog *dog = ((Dog *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((Dog *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Dog"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));

我們只需要關(guān)注這一行：

這里獲取到的是類對象，只要再獲取一次就得到了元類

// objc_getClass表示根據(jù)對象名獲取對應(yīng)的類
objc_getClass("Dog")

// 獲取元類
objc_getClass(objc_getClass("Dog"))

關(guān)于元類，蘋果提供了這么一張表：

對象－類－元類－超類

圖中的實線是superclass指針，虛線是isa指針?？梢钥吹剑惖某?code>NSObject(Root class)并沒有對應(yīng)的超類，并且，它的isa指針指向了自己。
總結(jié)一下：

每個實例對象的isa都指向了所屬的類
每個類對象的isa都指向了所屬的類，即元類，其superclass指針指向繼承的父類
每個元類的isa都指向了超類，即NSObject

Ivar

Ivar，我把它理解成instance variable，也就是實例變量，可以觀察它的定義：

typedef struct ivar_t *Ivar;

// ivar_t
struct ivar_t {
    int32_t *offset;
    const char *name;
    const char *type;
    // alignment is sometimes -1; use alignment() instead
    uint32_t alignment_raw;
    uint32_t size;
    // 內(nèi)存中數(shù)據(jù)對齊（如字對齊、半字對齊等）
    uint32_t alignment() {
        if (alignment_raw == ~(uint32_t)0) return 1U << WORD_SHIFT;
        return 1 << alignment_raw;
    }
};

Ivar其實是指向ivar_t結(jié)構(gòu)體的指針，它包含了實例變量名（name）、類型（type）、相對對象地址偏移（offset）以及內(nèi)存數(shù)據(jù)對齊等信息。

跟多關(guān)于實例變量的剖析可以查看Objective-C類成員變量深度剖析

Method

從以下定義的結(jié)構(gòu)體可以看出，Method主要住用為關(guān)聯(lián)了方法名SEL和方法的實現(xiàn)IMP，當(dāng)遍通過Method自己的定義的迭代器查找方法名SEL時，就可以找到對應(yīng)的方法實現(xiàn)IMP，從而調(diào)用方法的實現(xiàn)執(zhí)行相關(guān)的操作。types表示方法實現(xiàn)的參數(shù)以及返回值類型。

typedef struct method_t *Method;

// method_t
struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
    ...
}

SEL

SEL為方法選擇器，觀察下它的定義：

typedef struct objc_selector *SEL;

可以看出SEL實際是objc_selector指針類型的別名，它用于表示運行時方法的名字，以便進行方法實現(xiàn)的查找。因為要對應(yīng)方法實現(xiàn)，所以每一個方法對應(yīng)的SEL都是唯一的。因此它不具備C++可以進行函數(shù)重載的特性，當(dāng)兩個方法名一樣時，會發(fā)生編譯錯誤，即使參數(shù)不一樣。

IMP

IMP的定義如下：

#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ );
#else
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);
#endif

可以看出IMP其實就是一個函數(shù)指針的別名，也可以把它理解為函數(shù)名。它有兩個必須的參數(shù)：

id，為self指針，表示消息接收者
SEL，方法選擇器，表示一個方法的selector指針
后面的為傳送消息的一些參數(shù)

在某些情況下，通過獲取IMP而直接調(diào)用方法實現(xiàn)，可以直接跳過消息傳遞機制，像C語言調(diào)用函數(shù)那樣，在一定程度上，可以提供程序的性能。

消息傳遞

了解完runtime中一些必要的元素，繼續(xù)回到文章開頭的代碼：

@implementation Dog : NSObject
- (void)run
{}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Dog *dog = [[Dog alloc] init];
        [dog run];
    }
    return 0;
}

編譯器將其轉(zhuǎn)換成了：

為了看起來簡潔點，我把一些強制轉(zhuǎn)換變?yōu)閯e名

typedef (Dog *(*)(id, SEL))(void *) MyImp;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
        Dog *dog = ((MyImp)objc_msgSend)((id)((MyImp)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Dog"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
        ((MyImp)objc_msgSend)((id)dog, sel_registerName("run"));
    }
    return 0;
}

從上面的代碼可以看出，第二個objc_msgSend返回值是作為第一個objc_msgSend的首個參數(shù)的。

上文已經(jīng)說過，[receiver message]會被轉(zhuǎn)化成以下形式

objc_msgSend(receiver, selector, ...)

接下來看看它主要做了哪幾件事情：

根據(jù)receiver的isa指針，獲取到所屬類，先在類的cache即緩存中查找selector，如果沒有找到，再在類的method_lists即方法列表中查找
如果沒有找到selector，則會沿著下圖類的聯(lián)系路徑一直查找，直到NSObject類
如果找到了selector，則獲取實現(xiàn)方法并調(diào)用，并傳入接收者對象以及方法的所有參數(shù)；沒有找到時走方法解析和消息轉(zhuǎn)發(fā)流程。
將實現(xiàn)的返回值作為它自己的返回值

方法列表查找路徑

除此之外，objc_msgSend還會傳遞兩個隱藏參數(shù)：

消息接收對象（self引用的對象）
方法選擇器（_cmd，調(diào)用的方法）

objc_msgSend找到方法實現(xiàn)后，會在調(diào)用該實現(xiàn)時，傳入這兩個隱藏參數(shù)，這樣就能夠在方法實現(xiàn)里面里面獲取消息接受對象，即方法調(diào)用者了。

隱藏參數(shù)表示這兩個參數(shù)在源代碼方法的定義中并沒有聲明這兩個參數(shù)，這兩個參數(shù)是在代碼編譯期間，被插入到實現(xiàn)中的。

self和super的聯(lián)系

根據(jù)上文對objc_msgSend的了解，可以解決以下代碼輸出一致問題

@implementation Dog : NSObject

- (void)run
{
    NSLog(@"%@", [self class]);
    NSLog(@"%@", [super class]);
}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Dog *dog = [[Dog alloc] init];

        [dog run];
    }
    return 0;
}

輸出為：

[5491:173185] Dog
[5491:173185] Dog

這是為什么呢？先來看看編譯后的-run方法的情況:

static void _I_Dog_run(Dog * self, SEL _cmd) {
    NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_50_3f5nr6h10h1csn8byghy30q80000gn_T_main_d06ff4_mi_0, ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("class")));
    NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_50_3f5nr6h10h1csn8byghy30q80000gn_T_main_d06ff4_mi_1, ((Class (*)(__rw_objc_super *, SEL))(void *)objc_msgSendSuper)((__rw_objc_super){ (id)self, (id)class_getSuperclass(objc_getClass("Dog")) }, sel_registerName("class")));
}

這里面只要關(guān)注兩句：

// [self class]
((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("class"))

// [super class]
((Class (*)(__rw_objc_super *, SEL))(void *)objc_msgSendSuper)((__rw_objc_super){ (id)self, (id)class_getSuperclass(objc_getClass("Dog")) }, sel_registerName("class"))

首先我們需要了解self和super的差異：

super：編譯標(biāo)識符，告訴編譯器，調(diào)用方法時，去調(diào)用父類的方法，而不是本類的方法
self：隱藏參數(shù)，每個方法的實現(xiàn)第一個參數(shù)就是self

這里可以看出，編譯后，經(jīng)過super標(biāo)識符修飾的方法調(diào)用，會調(diào)用objc_msgSendSuper函數(shù)來進行消息的發(fā)送，而不是objc_msgSend。先來了解下objc_msgSendSuper的聲明：

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

其中objc_super的定義為：

// receiver   消息實際接收者
// class      指向當(dāng)前類的父類
struct objc_super { id receiver; Class class; };

結(jié)合以上信息，我們可以知道：

(__rw_objc_super){ (id)self, (id)class_getSuperclass(objc_getClass("Dog")) }

就是對結(jié)構(gòu)體objc_super的賦值，也就是說objc_super->receiver=self。到這里可能就有點明了了，super只是告訴編譯器，去查找父類中的class方法，當(dāng)找到之后，使用objc_super->receiver即self進行調(diào)用。用流程表示就是：

[super class]->objc_msgSendSuper(objc_super{self, superclass)}, sel_registerName("class"))->objc_msgSend(objc_super->self, sel_registerName("class"))＝[self class]。

可以看出兩者輸出結(jié)果一致的關(guān)鍵就是，[self class]的消息接收者和[super class]的消息接收者一樣，都是調(diào)用方法的實例對象。

方法解析和消息轉(zhuǎn)發(fā)

當(dāng)上文objc_msgSend處理流程中，selector沒有找到時，會觸發(fā)三個階段，在這三個階段都可以進行相關(guān)處理使程序不拋出異常：

Method Resolution (動態(tài)方法解析)
Fast Forwarding (備用接收者)
Normal Forwarding (完整轉(zhuǎn)發(fā))

由于實際代碼中很少有看到這種操作，所以這里不做詳細解釋，參考這個資料即可Objective-C Runtime 運行時之三：方法與消息

參考

1.Objective-C Runtime 運行時之一：類與對象

2.Objective-C Runtime

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Runtime基礎(chǔ)元素解析

Runtime基礎(chǔ)元素解析

runtime的基本要素

id

Class

Ivar

Method

SEL

IMP

消息傳遞

self和super的聯(lián)系

方法解析和消息轉(zhuǎn)發(fā)

參考

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runtime的基本要素

id

Class

Ivar

Method

SEL

IMP

消息傳遞

self和super的聯(lián)系

方法解析和消息轉(zhuǎn)發(fā)

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