[iOS開發(fā)]一篇文章帶你深入理解runtime

一. runtime簡介

runtime簡稱運(yùn)行時，是一套底層的 C 語言 API。OC就是運(yùn)行時機(jī)制，運(yùn)行時機(jī)制中最主要的是消息機(jī)制。而消息機(jī)制就是開發(fā)者在編碼過程中，可以給任意一個對象發(fā)送消息，在編譯階段只是確定了要向接收者發(fā)送這條消息，而接受者將要如何響應(yīng)和處理這條消息，那就要看運(yùn)行時來決定了。

  • 對于C語言，函數(shù)的調(diào)用在編譯的時候會決定調(diào)用哪個函數(shù)。
  • 對于OC的函數(shù)，屬于動態(tài)調(diào)用過程，在編譯的時候并不能決定真正調(diào)用哪個函數(shù)，只有在真正運(yùn)行的時候才會根據(jù)函數(shù)的名稱找到對應(yīng)的函數(shù)來調(diào)用。OC作為動態(tài)語言，它不僅需要一個編譯器，也需要一個運(yùn)行時系統(tǒng)來動態(tài)得創(chuàng)建類和對象、進(jìn)行消息傳遞和轉(zhuǎn)發(fā)。
  • 事實(shí)證明：
    在編譯階段，OC可以調(diào)用任何函數(shù)，即使這個函數(shù)并未實(shí)現(xiàn)，只要聲明過就不會報錯。
    在編譯階段，C語言調(diào)用未實(shí)現(xiàn)的函數(shù)就會報錯。

二. runtime的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

源碼：

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;
}

通過以上源碼可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)：

  • objc_class被typedef成了Class類型，objc_object被typedef成了id類型。
  • object類和NSObject類里面分別都包含一個objc_class類型的isa。
  • objc_class和objc_object都是結(jié)構(gòu)體，且objc_class繼承于objc_object，因此Objective-C 中類也是一個對象，叫類對象。
  • objc_object包含一個isa_t類型的結(jié)構(gòu)體，因此objc_class也會包含isa_t類型的結(jié)構(gòu)體isa。
  • 在objc_class中，除了isa之外，還有3個成員變量，一個是父類的指針，一個是方法緩存，最后一個這個類的實(shí)例方法鏈表。

isa

isa可分為兩類：

  • 指針型isa：其值代表Class地址。
  • 非指針型isa：其值的部分代表Class的地址，64位的其他部分留作他用，為了節(jié)省內(nèi)存。

isa指向：

  • 關(guān)于對象，其isa指向類對象，實(shí)例對象調(diào)用方法就是通過isa找到類對象，到類對象中找到方法進(jìn)行調(diào)用。
  • 關(guān)于類對象，其isa指向元類對象，調(diào)用類方法就是通過isa找到元類對象，到元類對象中找到方法進(jìn)行調(diào)用。

cache_t

源碼：

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

typedef unsigned int uint32_t;
typedef uint32_t mask_t;  // x86_64 & arm64 asm are less efficient with 16-bits

typedef unsigned long  uintptr_t;
typedef uintptr_t cache_key_t;

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

cache_t的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

它包括：

  • _buckets,一個散列表，用來存儲Method的鏈表。
  • mask: 分配用來緩存bucket的總數(shù)。
  • occupied：表明目前實(shí)際占用的緩存bucket的個數(shù)。

而bucket_t的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是：

  • key: cache_key_t。
  • IMP：無類型的函數(shù)指針, 指向了一個方法的具體實(shí)現(xiàn)。

cache_t的意義在于：

  • 用于快速查找方法執(zhí)行函數(shù)，比如在調(diào)用方法時，如果方法有緩存，那就不用到方法列表中逐一遍歷去查找方法的具體實(shí)現(xiàn)了。
  • 是可以增量擴(kuò)展的哈希表結(jié)構(gòu)，可增量擴(kuò)展意思是當(dāng)存儲的數(shù)據(jù)量大時可以擴(kuò)展內(nèi)存空間來支持更多的緩存。
  • 是局部性原理的最佳應(yīng)用：局部性原理體現(xiàn)在將調(diào)用頻次最高的方法放到緩存當(dāng)中，那么下次的命中率會更高，優(yōu)化方法調(diào)用的性能。往往當(dāng)一個實(shí)例對象調(diào)用方法時，首先根據(jù)對象的isa指針查找到它對應(yīng)的類對象，然后在類對象方法列表中搜索方法，如果沒有找到，就使用super_class指針到父類對象的方法列表中查找，一旦找到就調(diào)用方法，如果沒有找到，有可能消息轉(zhuǎn)發(fā)，也可能忽略它。但這樣查找方式效率太低，因?yàn)橥粋€類大概只有20%的方法經(jīng)常被調(diào)用，占總調(diào)用次數(shù)的80%。所以使用Cache來緩存經(jīng)常調(diào)用的方法，當(dāng)調(diào)用方法時，優(yōu)先在Cache查找，如果沒有找到，再到方法列表中查找，這樣就能優(yōu)化方法調(diào)用的性能。

class_data_bits_t

class_data_bits_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

總結(jié)：

  • class_data_bits_t結(jié)構(gòu)體是對class_rw_t的封裝，代表著類或分類中變量，屬性，方法鏈表。
  • class_rw_t結(jié)構(gòu)體又是對class_ro_t的封裝，它的結(jié)構(gòu)包括：class_ro_t，protocols，properties，methods，后三者是二維數(shù)組，比如methods的元素是一個類或者它的分類的方法列表methodList，而methodList的元素是method_t。
  • class_ro_t結(jié)構(gòu)體是一個指向常量的指針，ro代表它是只讀的，
    存儲編譯器決定了的成員變量，屬性，方法和遵守協(xié)議，而它們都是一維數(shù)組。

method_t

源碼：

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

    struct SortBySELAddress :
        public std::binary_function<const method_t&,
                                    const method_t&, bool>
    {
        bool operator() (const method_t& lhs,
                         const method_t& rhs)
        { return lhs.name < rhs.name; }
    };
};

從源碼可以看出method_t結(jié)構(gòu)體有三個成員變量：

  • SEL name：代表方法名稱。
  • const char* types：返回值和參數(shù)組合，不可變的字符類型指針。
  • IMP imp：無類型的函數(shù)指針，對應(yīng)的是函數(shù)體。

其中types的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

我們知道runtime的messageSend方法頭兩個參數(shù)是默認(rèn)固定的參數(shù)，第一個參數(shù)默認(rèn)是self，第二個參數(shù)默認(rèn)是方法名稱SEL，所以types值中代表參數(shù)的兩個固定的值是@和:，比如方法- (void)aMethod;，它的types值就是：v@:，v代表返回值是void，@代表第一個參數(shù)是id類型的self，:代表第二個參數(shù)SEL。

總結(jié)

runtime整個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

三. 消息傳遞

實(shí)例對象、類對象、元類對象

先看一張經(jīng)典的圖，它能展示出三者之間的關(guān)系：

總結(jié)：

  • 類對象存儲實(shí)例方法列表等信息。
  • 元類對象存儲類方法列表等信息。
  • 類對象和元類對象都是objc_class數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型的，都繼承于objc_object, 所以都有isa指針，所以實(shí)例對象可以通過isa找到類對象，進(jìn)而訪問類對象存儲的實(shí)例方法列表，類對象也可以通過isa找到元類對象，進(jìn)而訪問元類對象存儲的類方法列表。

實(shí)例對象調(diào)用實(shí)例方法過程

圖解過程：

在此過程中會經(jīng)歷三種查找：

  • 緩存查找：根據(jù)給定的SEL，通過哈希函數(shù)的算法得到bucket_t對應(yīng)cache_t數(shù)組中的索引位置，哈希函數(shù)表達(dá)式就是SEL選擇器因子和對應(yīng)的mask作與操作，mask是cache_t的成員變量，查找到bucket_t后，就能提取到IMP指針，返回給調(diào)用方。
  • 在當(dāng)前類中查找：
  1. 對于已排序好的方法列表，采用二分查找算法查找方法對應(yīng)執(zhí)行函數(shù)。
  2. 對于沒有排序的方法列表，采用一般遍歷查找方法對應(yīng)執(zhí)行函數(shù)。

  • 父類逐級查找：通過當(dāng)前類的superClass指針去訪問父類，先判斷父類是否為空，是空就結(jié)束查找，否就看能否根據(jù)SEL在父類緩存中找到相應(yīng)的方法實(shí)現(xiàn)，如果找到就結(jié)束流程，如果父類緩存中沒有，就遍歷父類方法列表，看看能否查找到SEL對應(yīng)的方法實(shí)現(xiàn)，如果還沒有，就根據(jù)父類的superClass找到父類的父類，繼續(xù)此逐級查找過程。


所以整個消息傳遞流程可以作如下總結(jié)：

  1. 當(dāng)實(shí)例對象調(diào)用一個方法時，系統(tǒng)會根據(jù)實(shí)例對象的isa指針找到它的類對象，查找類對象的緩存中是否有對應(yīng)SEL的IMP方法實(shí)現(xiàn)，如果沒有，則在當(dāng)前類對象的實(shí)例方法列表，二分查找或遍歷查找同名的方法實(shí)現(xiàn)IMP，如果找到，填充到緩存中，并返回selector，如果沒有找到，根據(jù)類對象的superClass指針到父類對象的方法列表中進(jìn)行父類逐級查找，直到根類對象還沒找到，則進(jìn)入消息轉(zhuǎn)發(fā)流程。
  2. 當(dāng)調(diào)用一個類方法時，類對象根據(jù)isa指針找到元類對象，也是先到元類對象的緩存中查找，沒找到則在當(dāng)前元類對象的類方法列表，二分查找或遍歷查找同名的方法實(shí)現(xiàn)IMP，如果找到，填充到緩存中，并返回selector，如果沒有找到，根據(jù)元類對象的superClass指針到父元類對象的方法列表中進(jìn)行父類逐級查找，直到根元類對象，如果還沒找到，就到根元類對象的superClass指向的根類對象(也就是NSObject)中找同名的方法，如果還沒找到就走消息轉(zhuǎn)發(fā)流程。

四. 消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

我們定義的方法如果沒有實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)會依次調(diào)用以下方法：

- (void)testMethod;

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(testMethod)) {
        NSLog(@"resolveInstanceMethod:");
        
        return NO;
    } else {
        return [super resolveInstanceMethod:sel];
    }
}
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    NSLog(@"forwardingTargetForSelector:(");
    return nil;
}
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(testMethod)) {
        NSLog(@"methodSignatureForSelector:");
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes: "v@:"];
    } else {
        return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
    }
}
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
    NSLog(@"forwardInvocation:");
}

整個實(shí)例方法的消息轉(zhuǎn)發(fā)流程：

  • resolveInstanceMethod方法如果返回YES，那么根據(jù)SEL就找到了對應(yīng)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)，代表消息已處理；如果返回NO，系統(tǒng)會給出第二次機(jī)會去處理消息。
    比如，我們給原來定義的方法動態(tài)添加一個實(shí)現(xiàn)：
void testImp (void) {
    NSLog(@"hhh");
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(testMethod)) {
        NSLog(@"resolveInstanceMethod:");
        
        //動態(tài)添加方法實(shí)現(xiàn)
        class_addMethod(self, @selector(testMethod), testImp, "v@:");
        return YES;
    } else {
        return [super resolveInstanceMethod:sel];
    }
}

那么根據(jù)testMethod方法的SEL就找到了testImp的實(shí)現(xiàn)，因此就不會再調(diào)用下面的方法，消息轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)束。

  • forwardingTargetForSelector方法用于指定一個轉(zhuǎn)發(fā)目標(biāo)，系統(tǒng)會把消息轉(zhuǎn)發(fā)給此目標(biāo)。如果我們在此函數(shù)中返回一個nil，也就是沒有指定轉(zhuǎn)發(fā)目標(biāo)的話，系統(tǒng)會給出第三次處理這條消息的機(jī)會。
  • methodSignatureForSelector方法的返回值是個NSMethodSignature對象，它是對方法的返回值，返回值類型，參數(shù)，參數(shù)類型，參數(shù)個數(shù)的封裝，如果此函數(shù)返回了方法簽名，則系統(tǒng)會接著調(diào)用forwardInvocation方法，如果該方法能處理消息，則消息轉(zhuǎn)發(fā)流程就此結(jié)束，如果不能處理或methodSignatureForSelector沒有返回方法簽名，則此消息就被標(biāo)記為無法處理。

消息轉(zhuǎn)發(fā)流程圖解：

五. method-Swizzling

將兩個方法對應(yīng)的方法實(shí)現(xiàn)進(jìn)行交換:


使用場景：比如統(tǒng)計頁面進(jìn)入次數(shù)或時長，那么可以交換系統(tǒng)的viewWillAppear方法，在新方法中插入統(tǒng)計邏輯即可，而不用在每個頁面的viewWillAppear方法中都作統(tǒng)計。

#import "UIViewController+runtime.h"
#import <objc/runtime.h>
@implementation UIViewController (runtime)

+ (void)load {
    Method testMethod = class_getInstanceMethod([UIViewController class], @selector(viewWillAppear:));
    Method testOtherMethod = class_getInstanceMethod(self, @selector(testOtherMethod));
    method_exchangeImplementations(testMethod, testOtherMethod);
}

- (void)testOtherMethod {
    //插入邏輯
    NSLog(@"testOtherMethod");
}

六. 動態(tài)方法解析

動態(tài)方法解析總結(jié)：

  • 用@dynamic標(biāo)記屬性，則屬性的get，set方法就是運(yùn)行時添加的而不是編譯時聲明好的。
  • 編譯時語言和動態(tài)運(yùn)行時語言的區(qū)別是：
  1. 動態(tài)運(yùn)行時語言將函數(shù)決議推遲到運(yùn)行時，為方法添加具體的實(shí)現(xiàn)。比如當(dāng)我們把一個屬性標(biāo)示為@dynamic時，代表著不需要編譯器在編譯時為屬性生成get，set方法實(shí)現(xiàn)，而是在運(yùn)行時具體調(diào)用屬性的get或set方法時，再添加相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。
  2. 編譯時語言在編譯期進(jìn)行函數(shù)決議，也就是在編譯期間就確定了一個方法名稱對應(yīng)的具體的方法實(shí)現(xiàn)，而在具體的運(yùn)行中是不能修改的。

方法緩存

方法緩存的目的：優(yōu)化方法查找性能，因?yàn)楫?dāng)一個方法在比較“上層”的類中，用比較“下層”（繼承關(guān)系上的上下層）對象去調(diào)用的時候，如果沒有緩存，那么整個查找鏈?zhǔn)窍喈?dāng)長的。就算方法是在這個類里面，當(dāng)方法比較多的時候，每次都查找也是費(fèi)事費(fèi)力的一件事情。所以將調(diào)用頻率高的方法緩存下來，提高命中率，也是上面文章所說的局部性原理的最佳應(yīng)用。

推薦美團(tuán)技術(shù)團(tuán)隊的這篇文章： 深入理解 Objective-C：方法緩存。

關(guān)于runtime的面試題

1. [self class] 和 [super class]。

 #import "Animal.h"

 @interface Dog: Animal

 @end

 @implementation Dog

 - (id)init
 {
    self = [super init];
    if (self)
    {
        NSLog(@"%@", NSStringFromClass([self class]));
        NSLog(@"%@", NSStringFromClass([super class]));
    }
    return self;
 }
 @end

self和super的區(qū)別：

  • self是類的一個隱藏參數(shù)，每個方法的實(shí)現(xiàn)的第一個參數(shù)是self。
  • super是一個”編譯器標(biāo)示符”，而不是隱藏參數(shù)，它負(fù)責(zé)告訴編譯器，當(dāng)調(diào)用方法時，去調(diào)用父類的方法，而不是本類中的方法。

在調(diào)用[super class]的時候，runtime會去調(diào)用objc_msgSendSuper方法。

OBJC_EXPORT void objc_msgSendSuper(void /* struct objc_super *super, SEL op, ... */ )

/// Specifies the superclass of an instance. 
struct objc_super {
    /// Specifies an instance of a class.
    __unsafe_unretained id receiver;

    /// Specifies the particular superclass of the instance to message. 
#if !defined(__cplusplus)  &&  !__OBJC2__
    /* For compatibility with old objc-runtime.h header */
    __unsafe_unretained Class class;
#else
    __unsafe_unretained Class super_class;
#endif
    /* super_class is the first class to search */
};

從源碼可以看出：

  • objc_msgSendSuper方法中，第一個參數(shù)是一個objc_super結(jié)構(gòu)體。
  • objc_super結(jié)構(gòu)體有兩個變量，一個是接收消息的receiver，一個是當(dāng)前類的父類super_class。

調(diào)用objc_msgSendSuper的流程是:
從objc_super結(jié)構(gòu)體中的superClass指向的父類的方法列表開始查找selector，找到后以objc_super->receiver去調(diào)用父類的這個selector。所以最后的調(diào)用者是objc->receiver也就是self，即objc_super->receiver = self。

最后結(jié)論：
無論是self還是super，接收者都是當(dāng)前對象，區(qū)別是self調(diào)用class時，是從該實(shí)例對象的類對象順次向上查找，而super調(diào)用class時，越過了該實(shí)例對象的類對象，是從其類對象的父類對象順次向上查找，不過最終都找到了根類對象NSObject中的class方法，從而返回相同的結(jié)果。

2. isKindOfClass 與 isMemberOfClass。

    BOOL result1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];
    BOOL result2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];
    BOOL result3 = [(id)[Dog class] isKindOfClass:[Dog class]];
    BOOL result4 = [(id)[Dog class] isMemberOfClass:[Dog class]];
    NSLog(@"%d %d %d %d", result1, result2, result3, result4);

在isKindOfClass中有一個循環(huán)，先判斷class是否等于meta class，不等就繼續(xù)循環(huán)判斷是否等于super class，不等再繼續(xù)取super class，如此循環(huán)下去。

[NSObject class]執(zhí)行完之后調(diào)用isKindOfClass，第一次判斷先判斷NSObject 和 NSObject的meta class是否相等，很明顯不等。接著第二次循環(huán)判斷NSObject與meta class的superclass是否相等，而Root class(meta) 的superclass 就是 Root class(class)，也就是NSObject本身，所以相等，result1為YES。

同理，[Dog class]執(zhí)行完之后調(diào)用isKindOfClass，第一次for循環(huán)，Dog的meta Class與Dog不等，第二次循環(huán)，Dog meta Class的super class 指向的是 NSObject meta Class， 和 Dog也不相等。第三次循環(huán)，NSObject Meta Class的super class指向的是NSObject Class，和 Dog 不相等。第四次循環(huán)，NSObject Class 的super class 指向 nil， 和 Dog不相等，最終result3為NO。

如果是Dog的實(shí)例對象，[dog isKindOfClass:[Dog class]，那么此時就應(yīng)該輸出YES了。因?yàn)樵趇sKindOfClass函數(shù)中，判斷Dog的isa指向是否是自己的類Dog，第一次for循環(huán)就能輸出YES了。

isMemberOfClass是拿到自己的isa指針和自己比較，是否相等。
第二行isa 指向 NSObject 的 Meta Class，所以和 NSObject不相等。第四行，isa指向Dog的Meta Class，和Dog也不等，所以第二行result2和第四行result4都為NO。

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