iOS-Runtime知识点整理
1.Runtime简介
因为Objc是一门动态语言，所以它总是想办法把一些决定工作从编译连接推迟到运行时。也就是说只有编译器是不够的，还需要一个运行时系统 (runtime system) 来执行编译后的代码。这就是 Objective-C Runtime 系统存在的意义，它是整个Objc运行框架的一块基石。
Runtime其实有两个版本:“modern”和 “legacy”。我们现在用的 Objective-C 2.0 采用的是现行(Modern)版的Runtime系统，只能运行在 iOS 和 OS X 10.5 之后的64位程序中。而OS X较老的32位程序仍采用 Objective-C 1中的（早期）Legacy 版本的 Runtime 系统。这两个版本最大的区别在于当你更改一个类的实例变量的布局时，在早期版本中你需要重新编译它的子类，而现行版就不需要。
Runtime基本是用C和汇编(437版本开始较多使用mm文件，但是仍用C语法)实现的，可见苹果为了动态系统的高效而作出了很多努力，你可以在这里下到苹果维护的开源代码runtime源码。苹果和GNU各自维护一个开源的runtime版本，这两个版本之间都在努力的保持一致。
2.Runtime相关的头文件
ios的sdk中 usr/include/objc文件夹下面有这样几个文件
List.h NSObjCRuntime.h NSObject.h Object.h Protocol.h a.txt hashtable.h hashtable2.h message.h module.map objc-api.h objc-auto.h objc-class.h objc-exception.h objc-load.h objc-runtime.h objc-sync.h objc.h runtime.h
都是和运行时相关的头文件，其中主要使用的函数定义在message.h和runtime.h这两个文件中。 在message.h中主要包含了一些向对象发送消息的函数，这是OC对象方法调用的底层实现。 runtime.h是运行时最重要的文件，其中包含了对运行时进行操作的方法。 主要包括：
1.操作对象的类型的定义
/// An opaque type that represents a method in a class definition. 一个类型，代表着类定义中的一个方法
typedef struct objc_method *Method;
/// An opaque type that represents an instance variable.代表实例(对象)的变量
typedef struct objc_ivar *Ivar;
/// An opaque type that represents a category.代表一个分类
typedef struct objc_category *Category;
/// An opaque type that represents an Objective-C declared property.代表OC声明的属性
typedef struct objc_property *objc_property_t;
// Class代表一个类，它在objc.h中这样定义的 typedef struct objc_class *Class;
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;
这些类型的定义，对一个类进行了完全的分解，将类定义或者对象的每一个部分都抽象为一个类型type，对操作一个类属性和方法非常方便。OBJC2_UNAVAILABLE标记的属性是Ojective-C 2.0不支持的,但实际上可以用响应的函数获取这些属性，例如：如果想要获取Class的name属性，可以按如下方法获取:
Class classPerson = Person.class;
// printf("%s\n", classPerson->name); //用这种方法已经不能获取name了 因为OBJC2_UNAVAILABLE
const char *cname = class_getName(classPerson);
printf("%s", cname); // 输出:Person
2.函数的定义
对对象进行操作的方法一般以object_开头
对类进行操作的方法一般以class_开头
对类或对象的方法进行操作的方法一般以method_开头
对成员变量进行操作的方法一般以ivar_开头
对属性进行操作的方法一般以property_开头
对协议进行操作的方法一般以protocol_开头
根据以上的函数的前缀 可以大致了解到层级关系。对于以objc_开头的方法，则是runtime最终的管家，可以获取内存中类的加载信息,类的列表，关联对象和关联属性等操作。
例如：使用runtime对当前的应用中加载的类进行打印，别被吓一跳。
- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
unsigned int count = 0;
Class *classes = objc_copyClassList(&count);
for (int i = 0; i < count; i++) {
const char *cname = class_getName(classes[i]);
printf("%s\n", cname);
}
}
3.技术点和应用场景
在以下的代码中，都用到了Person类，Person类知识简单的定义了一个成员变量和两个属性
@interface Person : NSObject
{
@private
float _height;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, assign) int age;
@end
3_1.获取属性\成员变量列表
对于获取成员变量的列表可以使用class_copyIvarList函数，如果想要获取属性列表可以使用class_copyPropertyList函数，使用的示例如下：
- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
Class classPerson = NSClassFromString(@"Person"); // 与下面一句效果一样,可以不用导入头文件
// Class clazz = Person.class;
unsigned int count = 0;
Ivar *ivarList = class_copyIvarList(classPerson, &count); // 获取成员变量数组
for (int i = 0; i < count; i++) {
const char *cname = ivar_getName(ivarList[i]); // 获取成员变量的名字
NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];
NSLog(@"%@", name);
}
NSLog(@"-------------------分割线------------------");
objc_property_t *propertyList = class_copyPropertyList(classPerson, &count); // 获取属性数组
for (int i = 0; i < count; i++) {
const char *cname = property_getName(propertyList[i]);
NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];
NSLog(@"%@", name);
}
}
以上代码的输出为：
2015-06-05 22:28:16.194 runtime终极[4192:195757] _height 2015-06-05 22:28:16.195 runtime终极[4192:195757] _age 2015-06-05 22:28:16.195 runtime终极[4192:195757] _name 2015-06-05 22:28:16.195 runtime终极[4192:195757] -------------------分割线------------------ 2015-06-05 22:28:16.195 runtime终极[4192:195757] name 2015-06-05 22:28:16.195 runtime终极[4192:195757] age
为什么会有上面的输出结果，因为@property会做三份工作：
1.生成一个带下划线的成员变量
2.生成这个成员变量的get方法
3.生成这个成员变量的set方法
因此会输出三个成员变量_height、_age和_name。需要注意的是属性名是不带下划线的，和定义时的名字一样。因此可以说：ivarList可以获取到@property关键字定义的属性
，而propertyList不可以获取到成员变量。也就是：使用ivarList是可以将所有的成员变量和属性都获取的。
当属性是readonly的而且重写了getter时，这种情况还是会遇见的，比如一个属性是计算型属性，需要依赖其他属性的值计算而来。此时生成的带下划线的成员变量就不在了， 通过ivarList不能获取该属性了。因此当有这种值的时候，无论使用ivarList还是使用propertyList都无法获取全部的属性或变量。
在进行下一个话题之前：先需要弄清楚另一个问题:对于一个readonly的属性，到底是didSet+set好，还是重写getter好?
大部分的readonly的属性是计算型的，依旧是依赖于其他属性，因此可以使用didSet+set，也就是在其他属性的set方法内，将本属性set。 但是didSet+set有时候完全没有必要，不符合懒加载的规则，浪费了计算能力，用重写getter的方法好一些。 因此重写getter总是会好一点。
回归正题：在KVC时，想要获取全部的成员变量和属性， 怎么办呢？
首先要了解setValue: forKeyPath:方法的底层实现:以name属性为例
1.首先先去类的方法列表去寻找有木有setName:,如果有，就直接调用[person setName:value]
2.找找有没有带下划线的成员变量_name,如果有 _name = value;
3.找有没有成员变量name,如果有 name = value;
4.如果都没有找到，就直接报错。
因此对于readonly的又重写了getter的属性而言：如果对propertyList的属性一次使用kvc，就会报错，因此为保证代码正常，不能使用propertyList的属性进行kvc；
另外：这种属性本来就是计算型的了，为什么还有为它赋值呢，因此对它进行kvc也不合情理。
当使用ivaList时，直接就无法获取到这种属性，因此是kvc的最佳方案。再者，使用propertyList无法获取成员变量(_height)，无法对成员变量进行赋值。而使用ivaList是可以将该赋值的成员变量都获取的。
以上就是使用ivar还是使用property进行kvc的论证。
话题外：
很多类 有些成员变量 既没有暴露给外部调用的getter又没有setter，只是用@private声明了一下：为什么？？
猜测是：是方法调用时使用的中间变量，因为是跟随对象产生，不适合使用静态static，又因为外部不会使用，所以没必要给外部提供接口，但是可能有好几个方法都需要这个量，不适合做局部变量，所以就这样定义了。
对于这种情况，要想不对这种成员变量赋值，在KVC时又可以这样改进一下，通过ivarList获取，去掉propertyList中没有的成员变量，这样就过滤掉了上面的那种成员变量了。
3_1_1.应用1:KVC字典转模型
获取属性\成员列表一个重要的应用就是，一次取出模型中的属性\成员变量，根据它的名字获取字典中的key然后取出字典中这个key对应的value，使用setValue: forKeyPath:方法设置值。为什么要这样，而不再使用方法setValuesForKeysWithDictionary:。因为在setValuesForKeysWithDictionary:方法内部会执行这样一个过程
遍历字典里面的所有key,一个一个取出来,遍历每个key按照以下过程
1.取出key,
2.取出key的value，即dict[key]，直接给模型的属性\成员变量赋值
3.怎么给模型的属性赋值，使用方法setValue:value forKeyPath:key进行赋值，这个方法的执行过程在前面已经提到。
因此，开发中经常遇到的字典中的key比模型中多时，会出现的 this class is not key-value compliant for ‘xxx’这个bug就很好解释了，通常是因为字典中的key，比模型中的属性\成员变量多。那么当模型中的属性比字典中多时，使用setValuesForKeysWithDictionary:会不不会有bug呢？经测试：当多出来的属性是对象数据类型时，为null，当属性是基本数据类型时，会有一个系统默认值(如int为0)。
因此使用逐一为属性赋值的方法进行KVC：
Class clazz = Person.class;
unsigned int count = 0;
Person *person = [[Person alloc]init];
NSDictionary *dict = @{@"name":@"zhangsan",@"age":@19, @"height": @1.75};
Ivar *ivars = class_copyIvarList(clazz, &count);
// NSLog(@"%tu", count); // 3
for (int i = 0; i < count; i++) {
const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);
NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];
NSString *key = [name substringFromIndex:1]; // 去掉'_'
[person setValue:dict[key] forKey:key];
}
NSLog(@"%@", person); // 已经重写了description方法
输出是：
<Person, 0x7ff15b80f230>{ name = zhangsan, height = 1.750000, age = 19}
使用这种方式进行kvc，即使字典中的key多的时候也不会有bug，但是新的问题出现了，如果模型中的属性比字典中的key多便会出现bug而且：如果多的是对象类型不会有bug，该属性的值为null，如果是基本数据类型就会出错could not set nil as the value for the key ‘xxx’。例如，将上面的字典改为：
NSDictionary *dict = @{@"age":@19, @"height": @1.75}; // 去掉了name NSString类型
修改之后输出为:
<Person, 0x7f996263fbd0>{ name = (null), height = 1.750000, age = 19}
如果将字典改为：
NSDictionary *dict = @{@"name":@"zhangsan",@"age":@19}; // 去掉了height float类型
程序直接崩溃。
如何解决上面的bug：可以在setValue:value forKeyPath:key方法调用之前进行如下处理：取出属性对应的类型，如果类型是基本数据类型，value替换为默认值(如int对应默认值为0)。
runtime提供的ivar_getTypeEncoding函数可以获取到属性的类型,返回值代表的含义如下：
height是float类型对应的TypeCode是"f"因此可以进行过滤一下，代码改动如下：
Class clazz = Person.class;
unsigned int count = 0;
Person *person = [[Person alloc]init];
NSDictionary *dict = @{@"name":@"zhangsan",@"age":@19, @"height": @1.75};
Ivar *ivars = class_copyIvarList(clazz, &count);
for (int i = 0; i < count; i++) {
const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);
NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];
NSString *key = [name substringFromIndex:1];
const char *coding = ivar_getTypeEncoding(ivars[i]); // 获取类型
NSString *strCode = [NSString stringWithUTF8String:coding];
id value = dict[key];
if ([strCode isEqualToString:@"f"]) {// 判断类型是否是float
value = @(0.0);
}
[person setValue:value forKey:key];
}
NSLog(@"%@", person);
这样就可以正常执行了，输出为：
<Person, 0x7fc75d004a00>{ name = zhangsan, height = 0.000000, age = 19}
3_1_2.应用2:NSCoding归档和解档
获取属性\成员列表另外一个重要的应用就是进行归档和解档，其原理和上面的kvc基本上一样，这里只是展示一些代码：- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder {
unsigned int count = 0;
Ivar *ivars = class_copyIvarList(self.class, &count);
for (int i = 0; i < count; i++) {
const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);
NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];
NSString *key = [name substringFromIndex:1];
id value = [self valueForKey:key]; // 取出key对应的value
[aCoder encodeObject:value forKey:key]; // 编码
}
}
- (id)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder {
if (self = [super init]) {
unsigned int count = 0;
Ivar *ivars = class_copyIvarList(self.class, &count);
for (int i = 0; i < count; i++) {
const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);
NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];
NSString *key = [name substringFromIndex:1];
id value = [aDecoder decodeObjectForKey:key]; // 解码
[self setValue:value forKey:key]; // 设置key对应的value
}
}
return self;
}
3_2.交换方法实现
交换方法实现的需求场景：自己创建了一个功能性的方法，在项目中多次被引用，当项目的需求发生改变时，要使用另一种功能代替这个功能，要求是不改变旧的项目(也就是不改变原来方法的实现)。
可以在类的分类中，再写一个新的方法(是符合新的需求的),然后交换两个方法的实现。这样，在不改变项目的代码，而只是增加了新的代码 的情况下，就完成了项目的改进。
交换两个方法的实现一般写在类的load方法里面，因为load方法会在程序运行前加载一次，而initialize方法会在类或者子类在 第一次使用的时候调用，当有分类的时候会调用多次。
// 程序一运行的时候调用
+ (void)load
{
// 如果是类方法，使用的是class_getClassMethod，如果是对象方法使用的是class_getInstanceMethod
Method methodOne = class_getInstanceMethod(self, @selector(methodOne:));
Method methodTwo = class_getInstanceMethod(self, @selector(methodTwo:));
// 交换两个方法的实现
method_exchangeImplementations(methodOne, methodTwo);
}
注意的是1.可以交换的两个方法的参数必须是匹配的，参数的类型一致。
2.如果在方法one的内部想要调用方法two，此时在方法one的内部应该用one调用，而实际上是在调用two，否则会造成死循环。
例如：
// 交换前
- (NSString *) methodOne:(NSString *)str{
NSLog(@"%@", [self methodTwo:str]);
return "suc";
}
// 交换后 在方法的实现中，要注意将调用two的地方，换成自己的名字
- (NSString *) methodOne:(NSString *)str{
NSLog(@"%@", [self methodOne:str]);
return "suc";
}
任何一个方法都有两个重要的属性：SEL是方法的编号 ,IMP是方法的实现，方法的调用过程实际上去根据SEL去寻找IMP。在这个例子中，假设在交换之前SEL为methodOne:的方法指向着IMP1，SEL为methodTwo的方法指向着IMP2。
交换实现实际上是在底层是交换了方法编号的指向，也就是让methodOne:指向了IMP2，methodTwo指向了IMP1。
3_3.类\对象的关联对象
关联对象不是为类\对象添加属性或者成员变量(因为在设置关联后也无法通过ivarList或者propertyList取得) ，而是为类添加一个相关的对象，通常用于存储类信息，例如存储类的属性列表数组，为将来字典转模型的方便。 例如，将属性的名称存到数组中设置关联const char* propertiesKey = "propertiesKey";
unsigned int count = 0;
Ivar *ivars = class_copyIvarList([Person class], &count);
NSMutableArray *arrayM = [NSMutableArray arrayWithCapacity:count];
for (unsigned int i = 0; i < count; ++i) {
Ivar pty = ivars[i];
const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);
NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];
NSString *key = [name substringFromIndex:1]; // 去掉_
[arrayM addObject:key];
}
free(ivars);
objc_setAssociatedObject(self, propertiesKey, arrayM, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
NSLog(@"%@", arrayM);
输出是
(
age,
height,
name
)
objc_setAssociatedObject方法的参数解释:
第二个参数const void *key, 关联的key，可以是任意类型
第三个参数id value, 被关联的对象
第四个参数objc_AssociationPolicy policy关联引用的规则，取值有以下几种：
enum {
OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN = 0,
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC = 1,
OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC = 3,
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN = 01401,
OBJC_ASSOCIATION_COPY = 01403
};
如果想要获取已经关联的对象，通过key取得即可NSArray *pList = objc_getAssociatedObject(Person, propertiesKey);可以将以上两种操作封装起来,为Person类增加一个properties类方法,封装上面的操作，用于方便获取类的属性列表。
const char* propertiesKey = "propertiesKey";
@implementation Person
+ (NSArray *)properties {
// 如果已经关联了，就依据key取出被关联的对象并返回
NSArray *pList = objc_getAssociatedObject(self, propertiesKey);
if (pList != nil) {
return pList;
}
// 如果没有关联，则设置关联对象，并将对象返回
unsigned int count = 0;
Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &count);
NSMutableArray *arrayM = [NSMutableArray arrayWithCapacity:count];
for (unsigned int i = 0; i < count; ++i) {
Ivar pty = ivars[i];
const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);
NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];
NSString *key = [name substringFromIndex:1];
[arrayM addObject:key];
}
free(ivars);
objc_setAssociatedObject(self, propertiesKey, arrayM, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
return arrayM.copy;
}
@end
3_4.动态添加方法，拦截未实现的方法
每个类都有都有一下两个类方法(来自NSObject)+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel以上两个一个使用于类方法，一个适用于对象方法。在代码中调用没有实现的方法时，也就是sel标识的方法没有实现 都会现调用这两个方法中的一个(如果是类方法就调用第一个，如果是对象方法就调用第二个)拦截。 通常的做法是在resolve的内部指定sel对应的IMP，从而完成方法的动态创建和调用两个过程，也可以不指定IMP打印错误信息后直接返回。
假如在Person类中没有-sayHi这个方法，如果对象p使用[p performSelector:@selector(sayHi) withObject:nil];那么就会必须经过Person类的resolveInstanceMethod:(SEL)sel方法，在这里为-sayHi指定实现。
void abc(id self, SEL _cmd){
NSLog(@"%@说了hello", [self name]);
}
@implementation Person
//动态添加方法：在resolve中添加相应的方法，注意是类方法还是对象方法。
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
if ([NSStringFromSelector(sel) isEqualToString:@"sayHi"]) {
class_addMethod(self, sel, abc, "v@:"); // 为sel指定实现为abc
}
return YES;
}
@end
对实现(abc)的前两个参数的说明
每个方法的内部都默认包含两个参数，被称为隐式参数id类型self(代表类或对象)和SEL类型的_cmd(方法编号)
class_addMethod函数参数的含义:
第二个参数SEL name, 被解析的方法
第三个参数 IMP imp, 指定的实现
第四个参数const char *types,方法的类型，具体参照类型的codeType那张图，但是要注意一点：Since the function must take at least two arguments—self and _cmd, the second and third characters must be “@:” (the first character is the return type).译为：因为函数必须至少有两个参数self和_cmd,第二个和第三个字符必须是“@:”。如果想要再增加参数，就可以从实现的第三个参数算起，看下面的例子就明白。
返回值：YES if the method was found and added to the receiver, otherwise NO.
为-sayHi方法的实现增加参数
调用时：Person *p = [[Person alloc] init];
p.name = @"zhangsan";
p.age = 10;
[p performSelector:@selector(sayHi:) withObject:@"world"]; // 增加了一个参数，多了冒号
对Person类中的代码做了修改
void abc(id self, SEL _cmd, NSString *content){ // 增加了一个参数content
NSLog(@"%@说了hello%@", [self name], content);
}
@implementation Person
//动态添加方法：在resolve中添加相应的方法，注意是类方法还是对象方法。
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
if ([NSStringFromSelector(sel) isEqualToString:@"sayHi:"]) {
class_addMethod(self, sel, abc, "v@:@"); // 增加了一个对象类型参数 增加了@
}
return YES;
}
@end
输出为:
zhangsan说了helloworld
3_5.动态创建一个类
动态创建一个类，为这个类添加成员变量和方法，并创建这个类型的对象:#import "ViewController.h"
#import <objc/runtime.h>
#import <objc/message.h>
#import "Person.h"
static void printSchool(id self, SEL _cmd) {
NSLog(@"我的学校是%@", [self valueForKey:@"schoolName"]);
}
@implementation ViewController
- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
Class classStudent = objc_allocateClassPair(Person.class, "Student", 0);
// 添加一个NSString的变量，第四个参数是对其方式，第五个参数是参数类型
if (class_addIvar(classStudent, "schoolName", sizeof(NSString *), 0, "@")) {
NSLog(@"添加成员变量schoolName成功");
}
// 为Student类添加方法 "v@:"这种写法见参数类型连接
if (class_addMethod(classStudent, @selector(printSchool), (IMP)printSchool, "v@:")) {
NSLog(@"添加方法printSchool:成功");
}
// 注册这个类到runtime系统中就可以使用他了
objc_registerClassPair(classStudent); // 返回void
// 使用创建的类
id student = [[classStudent alloc] init];
NSString *schoolName = @"清华大学";
// 给刚刚添加的变量赋值
// object_setInstanceVariable(student, "schoolName", (void *)&str);在ARC下不允许使用
[student setValue:schoolName forKey:@"schoolName"];
// 调用printSchool方法，也就是给student这个接受者发送printSchool:这个消息
// objc_msgSend(student, "printSchool"); // 我尝试用这种方法调用但是没有成功
[student performSelector:@selector(printSchool) withObject:nil]; // 动态调用未显式在类中声明的方法
}
@end
输出的结果是:
添加成员变量schoolName成功 添加方法printSchool成功 我的学校是清华大学
面试题
说说什么是runtime
1>OC 是一个全动态语言，OC 的一切都是基于 Runtime 实现的平时编写的OC代码, 在程序运行过程中, 其实最终都是转成了runtime的C语言代码, runtime算是OC的幕后工作者
比如:
OC :
[[Person alloc] init]
runtime :
objc_msgSend(objc_msgSend("Person" , "alloc"), "init")
2>runtime是一套比较底层的纯C语言API, 属于1个C语言库, 包含了很多底层的C语言API
3>runtimeAPI的实现是用C和汇编，是一套苹果开源的框架
使用过runtime吗，用它来做什么。
本文二、三部分。
