Objective-C的消息传递机制

各种语言都有些传递函数的方法：C语言中可以使用函数指针，C++中有函数引用、仿函数和lambda，Objective-C里也有选择器（selector）和block。
不过由于iOS SDK中的大部分API都是selector的方式，所以本文就重点讲述selector了。

Objective-C和我接触过的其他面向对象的语言不同，它强调消息传递，而非方法调用。因此你可以对一个对象传递任何消息，而不需要在编译期声名这些消息的处理方法。
很显然，既然编译期并不能确定方法的地址，那么运行期就需要自行定位了。而Objective-C runtime就是通过“id objc_msgSend(id theReceiver, SEL theSelector, ...)”这个函数来调用方法的。其中theReceiver是调用对象，theSelector则是消息名，省略号就是C语言的不定参数了。
这里的消息名是SEL类型，它被定义为struct objc_selector *。不过文档中并没有透露objc_selector是什么东西，但提供了@selector指令来生成：

SEL selector = @selector(message);

@selector是在编译期计算的，所以并不是函数调用。更进一步的测试表明，它在Mac OS X 10.6和iOS下都是一个C风格的字符串（char*）:

NSLog (@"%s", (char *)selector);

你会发现结果是“message”这个消息名。

下面就写个测试类：

@interface Test : NSObject
@end

@implementation Test

- (NSString *)intToString:(NSInteger)number {
    return [NSString stringWithFormat:@"%d", number];
}

- (NSString *)doubleToString:(double *)number {
    return [NSString stringWithFormat:@"%f", *number];
}

- (NSString *)pointToString:(CGPoint)point {
    return [NSString stringWithFormat:@"{%f, %f}", point.x, point.y];
}

- (NSString *)intsToString:(NSInteger)number1 second:(NSInteger)number2 third:(NSInteger)number3 {
    return [NSString stringWithFormat:@"%d, %d, %d", number1, number2, number3];
}

- (NSString *)doublesToString:(double)number1 second:(double)number2 third:(double)number3 {
    return [NSString stringWithFormat:@"%f, %f, %f", number1, number2, number3];
}

- (NSString *)combineString:(NSString *)string1 withSecond:string2 withThird:string3 {
    return [NSString stringWithFormat:@"%@, %@, %@", string1, string2, string3];
}

@end

再来测试下objc_msgSend：

#import <objc/message.h>
//要使用objc_msgSend的话，就要引入这个头文件

Test *test = [[Test alloc] init];
CGPoint point = {123, 456};
NSLog(@"%@", objc_msgSend(test, @selector(pointToString:), point));
[test release];

结果是“{123.000000, 456.000000}”。而且与之前猜想的一样，下面这样调用也是可以的：

NSLog(@"%@", objc_msgSend(test, (SEL)"pointToString:", point));

看到这里你应该发现了，这种实现方式只能确定消息名和参数数目，而参数类型和返回类型就给抹杀了。所以编译器只能在编译期警告你参数类型不对，而无法阻止你传递类型错误的参数。

接下来再看看NSObject协议提供的一些传递消息的方法：

• - (id)performSelector:(SEL)aSelector
• - (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)anObject
• - (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)anObject withObject:(id)anotherObject

也没有觉得很无语？为什么参数必须是对象？为什么最多只支持2个参数？

好在selector本身也不在乎参数类型，所以传个不是对象的玩意也行：

NSLog(@"%@", [test performSelector:@selector(intToString:) withObject:(id)123]);

可是double和struct就不能这样传递了，因为它们占的字节数和指针不一样。如果非要用performSelector的话，就只能修改参数类型为指针了：

- (NSString *)doubleToString:(double *)number {
    return [NSString stringWithFormat:@"%f", *number];
}

double number = 123.456;
NSLog(@"%@", [test performSelector:@selector(doubleToString:) withObject:(id)(&number)]);

参数类型算是搞定了，可是要支持多个参数，还得费番气力。理想状态下，我们应该可以实现这2个方法：

@interface NSObject (extend)

- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObjects:(NSArray *)objects;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withParameters:(void *)firstParameter, ...;

@end

先看看前者，NSArray要求所有的元素都必须是对象，并且不能为nil，所以适用的范围仍然有限。不过你可别小看它，因为你会发现根本没法用objc_msgSend来实现，因为你在写代码时没法预知参数个数。
这时候就轮到NSInvocation登场了：

@implementation NSObject (extend)

- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObjects:(NSArray *)objects {
    NSMethodSignature *signature = [self methodSignatureForSelector:aSelector];
    NSInvocation *invocation = [NSInvocation invocationWithMethodSignature:signature];
    [invocation setTarget:self];
    [invocation setSelector:aSelector];
    
    NSUInteger i = 1;
    for (id object in objects) {
        [invocation setArgument:&object atIndex:++i];
    }
    [invocation invoke];
    
    if ([signature methodReturnLength]) {
        id data;
        [invocation getReturnValue:&data];
        return data;
    }
    return nil;
}

@end


NSLog(@"%@", [test performSelector:@selector(combineString:withSecond:withThird:) withObjects:[NSArray arrayWithObjects:@"1", @"2", @"3", nil]]);

这里有3点要注意的：

1. 因为方法调用有self（调用对象）和_cmd（选择器）这2个隐含参数，因此设置参数时，索引应该从2开始。
2. 因为参数是对象，所以必须传递指针，即&object。
3. methodReturnLength为0时，表明返回类型是void，因此不需要获取返回值。返回值是对象的情况下，不需要我们来创建buffer。但如果是C风格的字符串、数组等类型，就需要自行malloc，并释放内存了。

再来实现第2个方法：

- (id)performSelector:(SEL)aSelector withParameters:(void *)firstParameter, ... {
    NSMethodSignature *signature = [self methodSignatureForSelector:aSelector];
    NSUInteger length = [signature numberOfArguments];
    NSInvocation *invocation = [NSInvocation invocationWithMethodSignature:signature];
    [invocation setTarget:self];
    [invocation setSelector:aSelector];
    
    [invocation setArgument:&firstParameter atIndex:2];
    va_list arg_ptr;
    va_start(arg_ptr, firstParameter);
    for (NSUInteger i = 3; i < length; ++i) {
        void *parameter = va_arg(arg_ptr, void *);
        [invocation setArgument:&parameter atIndex:i];
    }
    va_end(arg_ptr);
    
    [invocation invoke];
    
    if ([signature methodReturnLength]) {
        id data;
        [invocation getReturnValue:&data];
        return data;
    }
    return nil;
}

NSLog(@"%@", [test performSelector:@selector(combineString:withSecond:withThird:) withParameters:@"1", @"2", @"3"]);

NSInteger number1 = 1, number2 = 2, number3 = 3;
NSLog(@"%@", [test performSelector:@selector(intsToString:second:third:) withParameters:number1, number2, number3]);

和前面的实现差不多，不过由于参数长度是未知的，所以用到了[signature numberOfArguments]。当然也可以把SEL转成字符串（可用NSStringFromSelector()），然后查找:的数量。
处理可变参数时用到了va_start、va_arg和va_end，熟悉C语言的一看就明白了。
不过由于不知道参数的类型，所以只能设为void *。而这个程序也报出了警告，说void *和NSInteger类型不兼容。而如果把参数换成double，那就直接报错了。遗憾的是我也不知道怎么判别一个void *指针究竟是指向C数据类型，还是指向一个Objective-C对象，所以最好是封装成Objective-C对象。如果只需要兼容C类型的话，倒是可以将setArgument的参数的&去掉，然后直接传指针进去：

NSInteger number1 = 1, number2 = 2, number3 = 3;
NSLog(@"%@", [test performSelector:@selector(intsToString:second:third:) withParameters:&number1, &number2, &number3]);

double number4 = 1.0, number5 = 2.0, number6 = 3.0;    
NSLog(@"%@", [test performSelector:@selector(doublesToString:second:third:) withParameters:&number4, &number5, &number6]);
[test release];

至于NSObject类添加的performSelector:withObject:afterDelay:等方法，也可以用这种方式来支持多个参数。

接下来再说说刚才略过的_cmd，它还可以用来实现递归调用。下面就以斐波那契数列为例：

- (NSInteger)fibonacci:(NSInteger)n {
    if (n > 2) {
        return [self fibonacci:n - 1] + [self fibonacci:n - 2];
    }
    return n > 0 ? 1 : 0;
}

改成用_cmd实现就变成了这样：

return (NSInteger)[self performSelector:_cmd withObject:(id)(n - 1)] + (NSInteger)[self performSelector:_cmd withObject:(id)(n - 2)];

或者直接用objc_msgSend：

return (NSInteger)objc_msgSend(self, _cmd, n - 1) + (NSInteger)objc_msgSend(self, _cmd, n - 2);

但是每次都通过objc_msgSend来调用显得很费劲，有没有办法直接进行方法调用呢？答案是有的，这就需要用到IMP了。IMP的定义为“id (*IMP) (id, SEL, …)”，也就是一个指向方法的函数指针。
NSObject提供methodForSelector:方法来获取IMP，因此只需稍作修改就行了：

- (NSInteger)fibonacci:(NSInteger)n {
    static IMP func;
    if (!func) {
        func = [self methodForSelector:_cmd];
    }
    
    if (n > 2) {
        return (NSInteger)func(self, _cmd, n - 1) + (NSInteger)func(self, _cmd, n - 2);
    }
    return n > 0 ? 1 : 0;
}

现在运行时间比刚才减少了1/4，还算不错。

顺便再展现一下Objective-C强大的动态性，给Test类添加一个sum:and:方法：

NSInteger sum(id self, SEL _cmd, NSInteger number1, NSInteger number2) {
    return number1 + number2;
}

class_addMethod([Test class], @selector(sum:and:), (IMP)sum, "i@:ii");
NSLog(@"%d", [test sum:1 and:2]);

class_addMethod的最后那个参数是函数的返回值和参数类型，详细内容可以参考Type Encodings文档。