Objective-C語言是一門動態(tài)語言，它將很多靜態(tài)語言在編譯和鏈接時期做的事放到了運行時來處理。這種動態(tài)語言的優(yōu)勢在于：我們寫代碼時更具靈活性，如我們可以把消息轉(zhuǎn)發(fā)給我們想要的對象，或者隨意交換一個方法的實現(xiàn)等。

這種特性意味著Objective-C不僅需要一個編譯器，還需要一個運行時系統(tǒng)來執(zhí)行編譯的代碼。對于Objective-C來說，這個運行時系統(tǒng)就像一個操作系統(tǒng)一樣：它讓所有的工作可以正常的運行。這個運行時系統(tǒng)即Objc Runtime。Objc Runtime其實是一個Runtime庫，它基本上是用C和匯編寫的，這個庫使得C語言有了面向?qū)ο蟮哪芰Α?/p>

Runtime庫主要做下面幾件事：

1、封裝：在這個庫中，對象可以用C語言中的結(jié)構(gòu)體表示，而方法可以用C函數(shù)來實現(xiàn)，另外再加上了一些額外的特性。這些結(jié)構(gòu)體和函數(shù)被runtime函數(shù)封裝后，我們就可以在程序運行時創(chuàng)建，檢查，修改類、對象和它們的方法了。

2、找出方法的最終執(zhí)行代碼：當程序執(zhí)行[object doSomething]時，會向消息接收者(object)發(fā)送一條消息(doSomething)，runtime會根據(jù)消息接收者是否能響應(yīng)該消息而做出不同的反應(yīng)。這將在后面詳細介紹。

Objective-C runtime目前有兩個版本：Modern runtime和Legacy runtime。Modern Runtime覆蓋了64位的Mac OS X Apps，還有iOS Apps，Legacy Runtime是早期用來給32位 Mac OS X Apps 用的，也就是可以不用管就是了。

在這一系列文章中，我們將介紹runtime的基本工作原理，以及如何利用它讓我們的程序變得更加靈活。在本文中，我們先來介紹一下類與對象，這是面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)，我們看看在Runtime中，類是如何實現(xiàn)的。

類與對象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Class

Objective-C類是由Class類型來表示的，它實際上是一個指向objc_class結(jié)構(gòu)體的指針。它的定義如下：

1  typedef struct objc_class *Class;

查看objc/runtime.h中objc_class結(jié)構(gòu)體的定義如下：

1  struct objc_class {
2
3      Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
4
5   #if !__OBJC2__
6      Class super_class                       OBJC2_UNAVAILABLE;   // 父類
7      const char *name                         OBJC2_UNAVAILABLE;  // 類名
8      long version                             OBJC2_UNAVAILABLE;  // 類的版本信息，默認為0
9      long info                                OBJC2_UNAVAILABLE;  // 類信息，供運行期使用的一些位標識
10     long instance_size                       OBJC2_UNAVAILABLE;  // 該類的實例變量大小
11     struct objc_ivar_list *ivars             OBJC2_UNAVAILABLE;  // 該類的成員變量鏈表
12     struct objc_method_list **methodLists    OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法定義的鏈表
13     struct objc_cache *cache                 OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法緩存
14     struct objc_protocol_list *protocols     OBJC2_UNAVAILABLE;  // 協(xié)議鏈表
15
16  #endif
17  } OBJC2_UNAVAILABLE;

在這個定義中，下面幾個字段是我們感興趣的

isa：需要注意的是在Objective-C中，所有的類自身也是一個對象，這個對象的Class里面也有一個isa指針，它指向metaClass(元類)，我們會在后面介紹它。
super_class：指向該類的父類，如果該類已經(jīng)是最頂層的根類(如NSObject或NSProxy)，則super_class為NULL。
cache：用于緩存最近使用的方法。一個接收者對象接收到一個消息時，它會根據(jù)isa指針去查找能夠響應(yīng)這個消息的對象。在實際使用中，這個對象只有一部分方法是常用的，很多方法其實很少用或者根本用不上。這種情況下，如果每次消息來時，我們都是methodLists中遍歷一遍，性能勢必很差。這時，cache就派上用場了。在我們每次調(diào)用過一個方法后，這個方法就會被緩存到cache列表中，下次調(diào)用的時候runtime就會優(yōu)先去cache中查找，如果cache沒有，才去methodLists中查找方法。這樣，對于那些經(jīng)常用到的方法的調(diào)用，但提高了調(diào)用的效率。
version：我們可以使用這個字段來提供類的版本信息。這對于對象的序列化非常有用，它可是讓我們識別出不同類定義版本中實例變量布局的改變。
針對cache，我們用下面例子來說明其執(zhí)行過程：

1   NSArray *array = [[NSArray alloc] init];
2   其流程是：
3   1. `[NSArray alloc]`先被執(zhí)行。因為NSArray沒有`+alloc`方法，于是去父類NSObject去查找。
4   2. 檢測NSObject是否響應(yīng)`+alloc`方法，發(fā)現(xiàn)響應(yīng)，于是檢測NSArray類，并根據(jù)其所需的內(nèi)存空間大小開始分配內(nèi)存空間，然后把`isa`指針指向NSArray類。同時，`+alloc`也被加進cache列表里面。
5   3. 接著，執(zhí)行`-init`方法，如果NSArray響應(yīng)該方法，則直接將其加入`cache`；如果不響應(yīng)，則去父類查找。
6   4. 在后期的操作中，如果再以`[[NSArray alloc] init]`這種方式來創(chuàng)建數(shù)組，則會直接從cache中取出相應(yīng)的方法，直接調(diào)用。
7   ### objc_object與id
8   `objc_object`是表示一個類的實例的結(jié)構(gòu)體，它的定義如下(`objc/objc.h`)：
9    objc
10   struct objc_object {
11       Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
12   };
13
14   typedef struct objc_object *id;

可以看到，這個結(jié)構(gòu)體只有一個字體，即指向其類的isa指針。這樣，當我們向一個Objective-C對象發(fā)送消息時，運行時庫會根據(jù)實例對象的isa指針找到這個實例對象所屬的類。Runtime庫會在類的方法列表及父類的方法列表中去尋找與消息對應(yīng)的selector指向的方法。找到后即運行這個方法。

當創(chuàng)建一個特定類的實例對象時，分配的內(nèi)存包含一個objc_object數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后是類的實例變量的數(shù)據(jù)。NSObject類的alloc和allocWithZone:方法使用函數(shù)class_createInstance來創(chuàng)建objc_object數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

另外還有我們常見的id，它是一個objc_object結(jié)構(gòu)類型的指針。它的存在可以讓我們實現(xiàn)類似于C++中泛型的一些操作。該類型的對象可以轉(zhuǎn)換為任何一種對象，有點類似于C語言中void *指針類型的作用。

objc_cache

上面提到了objc_class結(jié)構(gòu)體中的cache字段，它用于緩存調(diào)用過的方法。這個字段是一個指向objc_cache結(jié)構(gòu)體的指針，其定義如下：

1   struct objc_cache {
2
3       unsigned int mask /* total = mask + 1 */                 OBJC2_UNAVAILABLE;
4       unsigned int occupied                                    OBJC2_UNAVAILABLE;
5       Method buckets[1]                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
6
7   }; 

該結(jié)構(gòu)體的字段描述如下：

mask：一個整數(shù)，指定分配的緩存bucket的總數(shù)。在方法查找過程中，Objective-C runtime使用這個字段來確定開始線性查找數(shù)組的索引位置。指向方法selector的指針與該字段做一個AND位操作(index = (mask & selector))。這可以作為一個簡單的hash散列算法。
occupied：一個整數(shù)，指定實際占用的緩存bucket的總數(shù)。
buckets：指向Method數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針的數(shù)組。這個數(shù)組可能包含不超過mask+1個元素。需要注意的是，指針可能是NULL，表示這個緩存bucket沒有被占用，另外被占用的bucket可能是不連續(xù)的。這個數(shù)組可能會隨著時間而增長。

元類(Meta Class)

在上面我們提到，所有的類自身也是一個對象，我們可以向這個對象發(fā)送消息(即調(diào)用類方法)。如：

1   NSArray *array = [NSArray array];

這個例子中，+array消息發(fā)送給了NSArray類，而這個NSArray也是一個對象。既然是對象，那么它也是一個objc_object指針，它包含一個指向其類的一個isa指針。那么這些就有一個問題了，這個isa指針指向什么呢？為了調(diào)用+array方法，這個類的isa指針必須指向一個包含這些類方法的一個objc_class結(jié)構(gòu)體。這就引出了meta-class的概念

    meta-class是一個類對象的類。

當我們向一個對象發(fā)送消息時，runtime會在這個對象所屬的這個類的方法列表中查找方法；而向一個類發(fā)送消息時，會在這個類的meta-class的方法列表中查找。

meta-class之所以重要，是因為它存儲著一個類的所有類方法。每個類都會有一個單獨的meta-class，因為每個類的類方法基本不可能完全相同。

再深入一下，meta-class也是一個類，也可以向它發(fā)送一個消息，那么它的isa又是指向什么呢？為了不讓這種結(jié)構(gòu)無限延伸下去，Objective-C的設(shè)計者讓所有的meta-class的isa指向基類的meta-class，以此作為它們的所屬類。即，任何NSObject繼承體系下的meta-class都使用NSObject的meta-class作為自己的所屬類，而基類的meta-class的isa指針是指向它自己。這樣就形成了一個完美的閉環(huán)。

通過上面的描述，再加上對objc_class結(jié)構(gòu)體中super_class指針的分析，我們就可以描繪出類及相應(yīng)meta-class類的一個繼承體系了

對于NSObject繼承體系來說，其實例方法對體系中的所有實例、類和meta-class都是有效的；而類方法對于體系內(nèi)的所有類和meta-class都是有效的。

講了這么多，我們還是來寫個例子吧：

void TestMetaClass(id self, SEL _cmd) {

    NSLog(@"This objcet is %p", self);
    NSLog(@"Class is %@, super class is %@", [self class], [self superclass]);

    Class currentClass = [self class];
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        NSLog(@"Following the isa pointer %d times gives %p", i, currentClass);
        currentClass = objc_getClass((__bridge void *)currentClass);
    }

    NSLog(@"NSObject's class is %p", [NSObject class]);
    NSLog(@"NSObject's meta class is %p", objc_getClass((__bridge void *)[NSObject class]));
}

#pragma mark -
@implementation Test

- (void)ex_registerClassPair {

    Class newClass = objc_allocateClassPair([NSError class], "TestClass", 0);
    class_addMethod(newClass, @selector(testMetaClass), (IMP)TestMetaClass, "v@:");
    objc_registerClassPair(newClass);

    id instance = [[newClass alloc] initWithDomain:@"some domain" code:0 userInfo:nil];
    [instance performSelector:@selector(testMetaClass)];
}

@end

這個例子是在運行時創(chuàng)建了一個NSError的子類TestClass，然后為這個子類添加一個方法testMetaClass，這個方法的實現(xiàn)是TestMetaClass函數(shù)。

運行后，打印結(jié)果是

2014-10-20 22:57:07.352 mountain[1303:41490] This objcet is 0x7a6e22b0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Class is TestStringClass, super class is NSError
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Following the isa pointer 0 times gives 0x7a6e21b0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Following the isa pointer 1 times gives 0x0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Following the isa pointer 2 times gives 0x0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Following the isa pointer 3 times gives 0x0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] NSObject's class is 0xe10000
2014-10-20 22:57:07.354 mountain[1303:41490] NSObject's meta class is 0x0

我們在for循環(huán)中，我們通過objc_getClass來獲取對象的isa，并將其打印出來，依此一直回溯到NSObject的meta-class。分析打印結(jié)果，可以看到最后指針指向的地址是0x0，即NSObject的meta-class的類地址。

這里需要注意的是：我們在一個類對象調(diào)用class方法是無法獲取meta-class，它只是返回類而已。

類與對象操作函數(shù)

runtime提供了大量的函數(shù)來操作類與對象。類的操作方法大部分是以class_為前綴的，而對象的操作方法大部分是以objc_或object_為前綴。下面我們將根據(jù)這些方法的用途來分類討論這些方法的使用。

類相關(guān)操作函數(shù)

我們可以回過頭去看看objc_class
的定義，runtime提供的操作類的方法主要就是針對這個結(jié)構(gòu)體中的各個字段的。下面我們分別介紹這一些的函數(shù)。并在最后以實例來演示這些函數(shù)的具體用法。

類名(name)

類名操作的函數(shù)主要有：

1  // 獲取類的類名
2  const char * class_getName ( Class cls );

對于class_getName函數(shù)，如果傳入的cls為Nil，則返回一個字字符串。

父類(super_class)和元類(meta-class)

父類和元類操作的函數(shù)主要有：

1   // 獲取類的父類
2   Class class_getSuperclass ( Class cls );
3
4  // 判斷給定的Class是否是一個元類
5   BOOL class_isMetaClass ( Class cls );

• 1、class_getSuperclass函數(shù)，當cls為Nil或者cls為根類時，返回Nil。不過通常我們可以使用NSObject類的superclass方法來達到同樣的目的。
• 2、class_isMetaClass函數(shù)，如果是cls是元類，則返回YES；如果否或者傳入的cls為Nil，則返回NO。

實例變量大小(instance_size)

實例變量大小操作的函數(shù)有：

1   // 獲取實例大小
2   size_t class_getInstanceSize ( Class cls );

成員變量(ivars)及屬性

在objc_class中，所有的成員變量、屬性的信息是放在鏈表ivars中的。ivars是一個數(shù)組，數(shù)組中每個元素是指向Ivar(變量信息)的指針。runtime提供了豐富的函數(shù)來操作這一字段。大體上可以分為以下幾類：

1.成員變量操作函數(shù)，主要包含以下函數(shù)：

1   // 獲取類中指定名稱實例成員變量的信息
2   Ivar class_getInstanceVariable ( Class cls, const char *name );
3
4   // 獲取類成員變量的信息
5   Ivar class_getClassVariable ( Class cls, const char *name );
6   
7   // 添加成員變量
8   BOOL class_addIvar ( Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types );
9
10   // 獲取整個成員變量列表
11   Ivar * class_copyIvarList ( Class cls, unsigned int *outCount );

• class_getInstanceVariable函數(shù)，它返回一個指向包含name指定的成員變量信息的objc_ivar結(jié)構(gòu)體的指針(Ivar)。

• class_getClassVariable函數(shù)，目前沒有找到關(guān)于Objective-C中類變量的信息，一般認為Objective-C不支持類變量。注意，返回的列表不包含父類的成員變量和屬性。

• Objective-C不支持往已存在的類中添加實例變量，因此不管是系統(tǒng)庫提供的提供的類，還是我們自定義的類，都無法動態(tài)添加成員變量。但如果我們通過運行時來創(chuàng)建一個類的話，又應(yīng)該如何給它添加成員變量呢？這時我們就可以使用class_addIvar函數(shù)了。不過需要注意的是，這個方法只能在objc_allocateClassPair函數(shù)與objc_registerClassPair之間調(diào)用。另外，這個類也不能是元類。成員變量的按字節(jié)最小對齊量是1<<alignment。這取決于ivar的類型和機器的架構(gòu)。如果變量的類型是指針類型，則傳遞log2(sizeof(pointer_type))。

• class_copyIvarList函數(shù)，它返回一個指向成員變量信息的數(shù)組，數(shù)組中每個元素是指向該成員變量信息的objc_ivar結(jié)構(gòu)體的指針。這個數(shù)組不包含在父類中聲明的變量。outCount指針返回數(shù)組的大小。需要注意的是，我們必須使用free()來釋放這個數(shù)組。

2.屬性操作函數(shù)，主要包含以下函數(shù)：

1    // 獲取指定的屬性
2    objc_property_t class_getProperty ( Class cls, const char *name );
3
4    // 獲取屬性列表
5    objc_property_t * class_copyPropertyList ( Class cls, unsigned int *outCount );
6
7    // 為類添加屬性
8    BOOL class_addProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );
9
10   // 替換類的屬性
11   void class_replaceProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );

這一種方法也是針對ivars來操作，不過只操作那些是屬性的值。我們在后面介紹屬性時會再遇到這些函數(shù)。

3.在MAC OS X系統(tǒng)中，我們可以使用垃圾回收器。runtime提供了幾個函數(shù)來確定一個對象的內(nèi)存區(qū)域是否可以被垃圾回收器掃描，以處理strong/weak引用。這幾個函數(shù)定義如下：

1   const uint8_t * class_getIvarLayout ( Class cls );
2   void class_setIvarLayout ( Class cls, const uint8_t *layout );
3   const uint8_t * class_getWeakIvarLayout ( Class cls );
4   void class_setWeakIvarLayout ( Class cls, const uint8_t *layout );

但通常情況下，我們不需要去主動調(diào)用這些方法；在調(diào)用objc_registerClassPair時，會生成合理的布局。在此不詳細介紹這些函數(shù)。

方法(methodLists)

方法操作主要有以下函數(shù)：

1   // 添加方法
2   BOOL class_addMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types );
3   // 獲取實例方法
4   Method class_getInstanceMethod ( Class cls, SEL name );
5   // 獲取類方法
6   Method class_getClassMethod ( Class cls, SEL name );
7   // 獲取所有方法的數(shù)組
8   Method * class_copyMethodList ( Class cls, unsigned int *outCount );
9   // 替代方法的實現(xiàn)
10  IMP class_replaceMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types );
11  // 返回方法的具體實現(xiàn)
12  IMP class_getMethodImplementation ( Class cls, SEL name );
13  IMP class_getMethodImplementation_stret ( Class cls, SEL name );
14  // 類實例是否響應(yīng)指定的selector
15  BOOL class_respondsToSelector ( Class cls, SEL sel );

• class_addMethod的實現(xiàn)會覆蓋父類的方法實現(xiàn)，但不會取代本類中已存在的實現(xiàn)，如果本類中包含一個同名的實現(xiàn)，則函數(shù)會返回NO。如果要修改已存在實現(xiàn)，可以使用method_setImplementation。一個Objective-C方法是一個簡單的C函數(shù)，它至少包含兩個參數(shù)–self和_cmd。所以，我們的實現(xiàn)函數(shù)(IMP參數(shù)指向的函數(shù))至少需要兩個參數(shù)，如下所示：

1   void myMethodIMP(id self, SEL _cmd)
2   {
3        // implementation ....
4   }

與成員變量不同的是，我們可以為類動態(tài)添加方法，不管這個類是否已存在。

另外，參數(shù)types是一個描述傳遞給方法的參數(shù)類型的字符數(shù)組，這就涉及到類型編碼，我們將在后面介紹。

• class_getInstanceMethod、class_getClassMethod函數(shù)，與class_copyMethodList不同的是，這兩個函數(shù)都會去搜索父類的實現(xiàn)。

• class_copyMethodList函數(shù)，返回包含所有實例方法的數(shù)組，如果需要獲取類方法，則可以使用class_copyMethodList(object_getClass(cls), &count)(一個類的實例方法是定義在元類里面)。該列表不包含父類實現(xiàn)的方法。outCount參數(shù)返回方法的個數(shù)。在獲取到列表后，我們需要使用free()方法來釋放它。

• class_replaceMethod函數(shù)，該函數(shù)的行為可以分為兩種：如果類中不存在name指定的方法，則類似于class_addMethod函數(shù)一樣會添加方法；如果類中已存在name指定的方法，則類似于method_setImplementation一樣替代原方法的實現(xiàn)。

• class_getMethodImplementation函數(shù)，該函數(shù)在向類實例發(fā)送消息時會被調(diào)用，并返回一個指向方法實現(xiàn)函數(shù)的指針。這個函數(shù)會比method_getImplementation(class_getInstanceMethod(cls, name))更快。返回的函數(shù)指針可能是一個指向runtime內(nèi)部的函數(shù)，而不一定是方法的實際實現(xiàn)。例如，如果類實例無法響應(yīng)selector，則返回的函數(shù)指針將是運行時消息轉(zhuǎn)發(fā)機制的一部分。

• class_respondsToSelector函數(shù)，我們通常使用NSObject類的respondsToSelector:或instancesRespondToSelector:方法來達到相同目的。

協(xié)議(objc_protocol_list)

協(xié)議相關(guān)的操作包含以下函數(shù)：

1   // 添加協(xié)議
2   BOOL class_addProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );
3
4   // 返回類是否實現(xiàn)指定的協(xié)議
5   BOOL class_conformsToProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );
6
7   // 返回類實現(xiàn)的協(xié)議列表
8   Protocol * class_copyProtocolList ( Class cls, unsigned int *outCount );

• class_conformsToProtocol函數(shù)可以使用NSObject類的conformsToProtocol:方法來替代。

• class_copyProtocolList函數(shù)返回的是一個數(shù)組，在使用后我們需要使用free()手動釋放。

版本(version)

版本相關(guān)的操作包含以下函數(shù)：

1   // 獲取版本號
2   int class_getVersion ( Class cls );
3
4   // 設(shè)置版本號
5   void class_setVersion ( Class cls, int version );

其它

runtime還提供了兩個函數(shù)來供CoreFoundation的tool-free bridging使用，即：

1   Class objc_getFutureClass ( const char *name );
2   void objc_setFutureClass ( Class cls, const char *name );

通常我們不直接使用這兩個函數(shù)。

實例(Example)

上面列舉了大量類操作的函數(shù)，下面我們寫個實例，來看看這些函數(shù)的實例效果：

//-----------------------------------------------------------
// MyClass.h
@interface MyClass : NSObject <NSCopying, NSCoding>
@property (nonatomic, strong) NSArray *array;
@property (nonatomic, copy) NSString *string;
- (void)method1;
- (void)method2;
+ (void)classMethod1;
@end
//-----------------------------------------------------------
// MyClass.m
#import "MyClass.h"
@interface MyClass () {
    NSInteger       _instance1;
    NSString    *   _instance2;
}
@property (nonatomic, assign) NSUInteger integer;
- (void)method3WithArg1:(NSInteger)arg1 arg2:(NSString *)arg2;
@end
@implementation MyClass
+ (void)classMethod1 {
}
- (void)method1 {
    NSLog(@"call method method1");
}
- (void)method2 {
}
- (void)method3WithArg1:(NSInteger)arg1 arg2:(NSString *)arg2 {
    NSLog(@"arg1 : %ld, arg2 : %@", arg1, arg2);
}
@end
//-----------------------------------------------------------
// main.h
#import "MyClass.h"
#import "MySubClass.h"
#import <objc/runtime.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        MyClass *myClass = [[MyClass alloc] init];
        unsigned int outCount = 0;
        Class cls = myClass.class;
        // 類名
        NSLog(@"class name: %s", class_getName(cls));
        NSLog(@"==========================================================");
        // 父類
        NSLog(@"super class name: %s", class_getName(class_getSuperclass(cls)));
        NSLog(@"==========================================================");
        // 是否是元類
        NSLog(@"MyClass is %@ a meta-class", (class_isMetaClass(cls) ? @"" : @"not"));
        NSLog(@"==========================================================");
        Class meta_class = objc_getMetaClass(class_getName(cls));
        NSLog(@"%s's meta-class is %s", class_getName(cls), class_getName(meta_class));
        NSLog(@"==========================================================");
        // 變量實例大小
        NSLog(@"instance size: %zu", class_getInstanceSize(cls));
        NSLog(@"==========================================================");
        // 成員變量
        Ivar *ivars = class_copyIvarList(cls, &outCount);
        for (int i = 0; i < outCount; i++) {
            Ivar ivar = ivars[i];
            NSLog(@"instance variable's name: %s at index: %d", ivar_getName(ivar), i);
        }
        free(ivars);
        Ivar string = class_getInstanceVariable(cls, "_string");
        if (string != NULL) {
            NSLog(@"instace variable %s", ivar_getName(string));
        }
        NSLog(@"==========================================================");
        // 屬性操作
        objc_property_t * properties = class_copyPropertyList(cls, &outCount);
        for (int i = 0; i < outCount; i++) {
            objc_property_t property = properties[i];
            NSLog(@"property's name: %s", property_getName(property));
        }
        free(properties);
        objc_property_t array = class_getProperty(cls, "array");
        if (array != NULL) {
            NSLog(@"property %s", property_getName(array));
        }
        NSLog(@"==========================================================");
        // 方法操作
        Method *methods = class_copyMethodList(cls, &outCount);
        for (int i = 0; i < outCount; i++) {
            Method method = methods[i];
            NSLog(@"method's signature: %s", method_getName(method));
        }
        free(methods);
        Method method1 = class_getInstanceMethod(cls, @selector(method1));
        if (method1 != NULL) {
            NSLog(@"method %s", method_getName(method1));
        }
        Method classMethod = class_getClassMethod(cls, @selector(classMethod1));
        if (classMethod != NULL) {
            NSLog(@"class method : %s", method_getName(classMethod));
        }
        NSLog(@"MyClass is%@ responsd to selector: method3WithArg1:arg2:", class_respondsToSelector(cls, @selector(method3WithArg1:arg2:)) ? @"" : @" not");
        IMP imp = class_getMethodImplementation(cls, @selector(method1));
        imp();
        NSLog(@"==========================================================");
        // 協(xié)議
        Protocol * __unsafe_unretained * protocols = class_copyProtocolList(cls, &outCount);
        Protocol * protocol;
        for (int i = 0; i < outCount; i++) {
            protocol = protocols[i];
            NSLog(@"protocol name: %s", protocol_getName(protocol));
        }
        NSLog(@"MyClass is%@ responsed to protocol %s", class_conformsToProtocol(cls, protocol) ? @"" : @" not", protocol_getName(protocol));
        NSLog(@"==========================================================");
    }
    return 0;
}

2014-10-22 19:41:37.452 RuntimeTest[3189:156810] class name: MyClass
2014-10-22 19:41:37.453 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================
2014-10-22 19:41:37.454 RuntimeTest[3189:156810] super class name: NSObject
2014-10-22 19:41:37.454 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================
2014-10-22 19:41:37.454 RuntimeTest[3189:156810] MyClass is not a meta-class
2014-10-22 19:41:37.454 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================
2014-10-22 19:41:37.454 RuntimeTest[3189:156810] MyClass's meta-class is MyClass
2014-10-22 19:41:37.455 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================
2014-10-22 19:41:37.455 RuntimeTest[3189:156810] instance size: 48
2014-10-22 19:41:37.455 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================
2014-10-22 19:41:37.455 RuntimeTest[3189:156810] instance variable's name: _instance1 at index: 0
2014-10-22 19:41:37.455 RuntimeTest[3189:156810] instance variable's name: _instance2 at index: 1
2014-10-22 19:41:37.455 RuntimeTest[3189:156810] instance variable's name: _array at index: 2
2014-10-22 19:41:37.455 RuntimeTest[3189:156810] instance variable's name: _string at index: 3
2014-10-22 19:41:37.463 RuntimeTest[3189:156810] instance variable's name: _integer at index: 4
2014-10-22 19:41:37.463 RuntimeTest[3189:156810] instace variable _string
2014-10-22 19:41:37.463 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================
2014-10-22 19:41:37.463 RuntimeTest[3189:156810] property's name: array
2014-10-22 19:41:37.463 RuntimeTest[3189:156810] property's name: string
2014-10-22 19:41:37.464 RuntimeTest[3189:156810] property's name: integer
2014-10-22 19:41:37.464 RuntimeTest[3189:156810] property array
2014-10-22 19:41:37.464 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================
2014-10-22 19:41:37.464 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: method1
2014-10-22 19:41:37.464 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: method2
2014-10-22 19:41:37.464 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: method3WithArg1:arg2:
2014-10-22 19:41:37.465 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: integer
2014-10-22 19:41:37.465 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: setInteger:
2014-10-22 19:41:37.465 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: array
2014-10-22 19:41:37.465 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: string
2014-10-22 19:41:37.465 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: setString:
2014-10-22 19:41:37.465 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: setArray:
2014-10-22 19:41:37.466 RuntimeTest[3189:156810] method's signature: .cxx_destruct
2014-10-22 19:41:37.466 RuntimeTest[3189:156810] method method1
2014-10-22 19:41:37.466 RuntimeTest[3189:156810] class method : classMethod1
2014-10-22 19:41:37.466 RuntimeTest[3189:156810] MyClass is responsd to selector: method3WithArg1:arg2:
2014-10-22 19:41:37.467 RuntimeTest[3189:156810] call method method1
2014-10-22 19:41:37.467 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================
2014-10-22 19:41:37.467 RuntimeTest[3189:156810] protocol name: NSCopying
2014-10-22 19:41:37.467 RuntimeTest[3189:156810] protocol name: NSCoding
2014-10-22 19:41:37.467 RuntimeTest[3189:156810] MyClass is responsed to protocol NSCoding
2014-10-22 19:41:37.468 RuntimeTest[3189:156810] ==========================================================

動態(tài)創(chuàng)建類和對象

runtime的強大之處在于它能在運行時創(chuàng)建類和對象。
動態(tài)####創(chuàng)建類
動態(tài)創(chuàng)建類涉及到以下幾個函數(shù)：

// 創(chuàng)建一個新類和元類
Class objc_allocateClassPair ( Class superclass, const char *name, size_t extraBytes );
// 銷毀一個類及其相關(guān)聯(lián)的類
void objc_disposeClassPair ( Class cls );
// 在應(yīng)用中注冊由objc_allocateClassPair創(chuàng)建的類
void objc_registerClassPair ( Class cls );

• objc_allocateClassPair函數(shù)：如果我們要創(chuàng)建一個根類，則superclass指定為Nil。extraBytes通常指定為0，該參數(shù)是分配給類和元類對象尾部的索引ivars的字節(jié)數(shù)。

為了創(chuàng)建一個新類，我們需要調(diào)用objc_allocateClassPair。然后使用諸如class_addMethod，class_addIvar等函數(shù)來為新創(chuàng)建的類添加方法、實例變量和屬性等。完成這些后，我們需要調(diào)用objc_registerClassPair函數(shù)來注冊類，之后這個新類就可以在程序中使用了。

實例方法和實例變量應(yīng)該添加到類自身上，而類方法應(yīng)該添加到類的元類上。

• objc_disposeClassPair函數(shù)用于銷毀一個類，不過需要注意的是，如果程序運行中還存在類或其子類的實例，則不能調(diào)用針對類調(diào)用該方法。
  在前面介紹元類時，我們已經(jīng)有接觸到這幾個函數(shù)了，在此我們再舉個實例來看看這幾個函數(shù)的使用。

Class cls = objc_allocateClassPair(MyClass.class, "MySubClass", 0);

class_addMethod(cls, @selector(submethod1), (IMP)imp_submethod1, "v@:");
class_replaceMethod(cls, @selector(method1), (IMP)imp_submethod1, "v@:");
class_addIvar(cls, "_ivar1", sizeof(NSString *), log(sizeof(NSString *)), "i");

objc_property_attribute_t type = {"T", "@\"NSString\""};
objc_property_attribute_t ownership = { "C", "" };
objc_property_attribute_t backingivar = { "V", "_ivar1"};
objc_property_attribute_t attrs[] = {type, ownership, backingivar};

class_addProperty(cls, "property2", attrs, 3);
objc_registerClassPair(cls);
id instance = [[cls alloc] init];
[instance performSelector:@selector(submethod1)];
[instance performSelector:@selector(method1)];

程序的輸出如下：

2014-10-23 11:35:31.006 RuntimeTest[3800:66152] run sub method 1
2014-10-23 11:35:31.006 RuntimeTest[3800:66152] run sub method 1

動態(tài)創(chuàng)建對象

動態(tài)創(chuàng)建對象的函數(shù)如下：

// 創(chuàng)建類實例
id class_createInstance ( Class cls, size_t extraBytes );

// 在指定位置創(chuàng)建類實例
id objc_constructInstance ( Class cls, void *bytes );

// 銷毀類實例
void * objc_destructInstance ( id obj );

• class_createInstance函數(shù)：創(chuàng)建實例時，會在默認的內(nèi)存區(qū)域為類分配內(nèi)存。extraBytes參數(shù)表示分配的額外字節(jié)數(shù)。這些額外的字節(jié)可用于存儲在類定義中所定義的實例變量之外的實例變量。該函數(shù)在ARC環(huán)境下無法使用。

調(diào)用class_createInstance的效果與+alloc方法類似。不過在使用class_createInstance時，我們需要確切的知道我們要用它來做什么。在下面的例子中，我們用NSString來測試一下該函數(shù)的實際效果：

id theObject = class_createInstance(NSString.class, sizeof(unsigned));
 
id str1 = [theObject init];
NSLog(@"%@", [str1 class]);

id str2 = [[NSString alloc] initWithString:@"test"];
NSLog(@"%@", [str2 class]);

輸出的結(jié)果是

2014-10-23 12:46:50.781 RuntimeTest[4039:89088] NSString
2014-10-23 12:46:50.781 RuntimeTest[4039:89088] __NSCFConstantString

可以看到，使用class_createInstance函數(shù)獲取的是NSString實例，而不是類簇中的默認占位符類__NSCFConstantString。

• objc_constructInstance函數(shù)：在指定的位置(bytes)創(chuàng)建類實例。

• objc_destructInstance函數(shù)：銷毀一個類的實例，但不會釋放并移除任何與其相關(guān)的引用。

實例操作函數(shù)

實例操作函數(shù)主要是針對我們創(chuàng)建的實例對象的一系列操作函數(shù)，我們可以使用這組函數(shù)來從實例對象中獲取我們想要的一些信息，如實例對象中變量的值。這組函數(shù)可以分為三小類：

1.針對整個對象進行操作的函數(shù)，這類函數(shù)包含

// 返回指定對象的一份拷貝
id object_copy ( id obj, size_t size );

// 釋放指定對象占用的內(nèi)存
id object_dispose ( id obj );

有這樣一種場景，假設(shè)我們有類A和類B，且類B是類A的子類。類B通過添加一些額外的屬性來擴展類A。現(xiàn)在我們創(chuàng)建了一個A類的實例對象，并希望在運行時將這個對象轉(zhuǎn)換為B類的實例對象，這樣可以添加數(shù)據(jù)到B類的屬性中。這種情況下，我們沒有辦法直接轉(zhuǎn)換，因為B類的實例會比A類的實例更大，沒有足夠的空間來放置對象。此時，我們就要以使用以上幾個函數(shù)來處理這種情況，如下代碼所示：

NSObject *a = [[NSObject alloc] init];
id newB = object_copy(a, class_getInstanceSize(MyClass.class));
object_setClass(newB, MyClass.class);
object_dispose(a);

2.針對對象實例變量進行操作的函數(shù)，這類函數(shù)包含：

// 修改類實例的實例變量的值
Ivar object_setInstanceVariable ( id obj, const char *name, void *value );

// 獲取對象實例變量的值
Ivar object_getInstanceVariable ( id obj, const char *name, void **outValue );

// 返回指向給定對象分配的任何額外字節(jié)的指針
void * object_getIndexedIvars ( id obj );

// 返回對象中實例變量的值
id object_getIvar ( id obj, Ivar ivar );

// 設(shè)置對象中實例變量的值
void object_setIvar ( id obj, Ivar ivar, id value );

如果實例變量的Ivar已經(jīng)知道，那么調(diào)用object_getIvar會比object_getInstanceVariable函數(shù)快，相同情況下，object_setIvar也比object_setInstanceVariable快。

3.針對對象的類進行操作的函數(shù)，這類函數(shù)包含：

// 返回給定對象的類名
const char * object_getClassName ( id obj );

// 返回對象的類
Class object_getClass ( id obj );

// 設(shè)置對象的類
Class object_setClass ( id obj, Class cls );

獲取類定義

Objective-C動態(tài)運行庫會自動注冊我們代碼中定義的所有的類。我們也可以在運行時創(chuàng)建類定義并使用objc_addClass函數(shù)來注冊它們。runtime提供了一系列函數(shù)來獲取類定義相關(guān)的信息，這些函數(shù)主要包括：

// 獲取已注冊的類定義的列表
int objc_getClassList ( Class *buffer, int bufferCount );

// 創(chuàng)建并返回一個指向所有已注冊類的指針列表
Class * objc_copyClassList ( unsigned int *outCount );

// 返回指定類的類定義
Class objc_lookUpClass ( const char *name );
Class objc_getClass ( const char *name );
Class objc_getRequiredClass ( const char *name );

// 返回指定類的元類
Class objc_getMetaClass ( const char *name );

• objc_getClassList函數(shù)：獲取已注冊的類定義的列表。我們不能假設(shè)從該函數(shù)中獲取的類對象是繼承自NSObject體系的，所以在這些類上調(diào)用方法是，都應(yīng)該先檢測一下這個方法是否在這個類中實現(xiàn)。

下面代碼演示了該函數(shù)的用法：

int numClasses;
Class * classes = NULL;
numClasses = objc_getClassList(NULL, 0);
if (numClasses > 0) {
    classes = malloc(sizeof(Class) * numClasses);
    numClasses = objc_getClassList(classes, numClasses);
    NSLog(@"number of classes: %d", numClasses);
    for (int i = 0; i < numClasses; i++) {
        Class cls = classes[i];
        NSLog(@"class name: %s", class_getName(cls));
    }
    free(classes);
}

輸出結(jié)果如下：

2014-10-23 16:20:52.589 RuntimeTest[8437:188589] number of classes: 1282
2014-10-23 16:20:52.589 RuntimeTest[8437:188589] class name: DDTokenRegexp
2014-10-23 16:20:52.590 RuntimeTest[8437:188589] class name: _NSMostCommonKoreanCharsKeySet
2014-10-23 16:20:52.590 RuntimeTest[8437:188589] class name: OS_xpc_dictionary
2014-10-23 16:20:52.590 RuntimeTest[8437:188589] class name: NSFileCoordinator
2014-10-23 16:20:52.590 RuntimeTest[8437:188589] class name: NSAssertionHandler
2014-10-23 16:20:52.590 RuntimeTest[8437:188589] class name: PFUbiquityTransactionLogMigrator
2014-10-23 16:20:52.591 RuntimeTest[8437:188589] class name: NSNotification
2014-10-23 16:20:52.591 RuntimeTest[8437:188589] class name: NSKeyValueNilSetEnumerator
2014-10-23 16:20:52.591 RuntimeTest[8437:188589] class name: OS_tcp_connection_tls_session
2014-10-23 16:20:52.591 RuntimeTest[8437:188589] class name: _PFRoutines
......還有大量輸出

• 獲取類定義的方法有三個：objc_lookUpClass, objc_getClass和objc_getRequiredClass。如果類在運行時未注冊，則objc_lookUpClass會返回nil，而objc_getClass會調(diào)用類處理回調(diào)，并再次確認類是否注冊，如果確認未注冊，再返回nil。而objc_getRequiredClass函數(shù)的操作與objc_getClass相同，只不過如果沒有找到類，則會殺死進程。

• objc_getMetaClass函數(shù)：如果指定的類沒有注冊，則該函數(shù)會調(diào)用類處理回調(diào)，并再次確認類是否注冊，如果確認未注冊，再返回nil。不過，每個類定義都必須有一個有效的元類定義，所以這個函數(shù)總是會返回一個元類定義，不管它是否有效。

小結(jié)

在這一章中我們介紹了Runtime運行時中與類和對象相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過這些數(shù)據(jù)函數(shù)，我們可以管窺Objective-C底層面向?qū)ο髮崿F(xiàn)的一些信息。另外，通過豐富的操作函數(shù)，可以靈活地對這些數(shù)據(jù)進行操作。

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本文章轉(zhuǎn)載自：南峰子的技術(shù)博客