Objective-C--Runtime机制

个人理解：

简单来说，Objective-C runtime是一个实现Objective-C语言的C库。对象可以用C语言中的结构体表示，而方法（methods）可以用C函数实现。事实上，他们差不多也是这么干了，另外再加上了一些额外的特性。这些结构体和函数被runtime函数封装后，Objective-C程序员可以在程序运行时创建，检查，修改类，对象和它们的方法。例如一个普通类，我们写好之后，Runtime会进行处理。最后变成以下结构：

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
    #if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;//父类
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;//类名
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;//设备名
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;//设备信息
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;//空间大小
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;//类中参数数组
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;//类中函数数组
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE; //近期使用过的方法，放入这里。快速查找
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;//协议数组
    #endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

通过一个结构体的方式，来存放类中的信息。

再比如，我们调用的实例方法。从本质上来看是用C语言中的函数来实现的，但是在外面我们还是对实例方法使用结构体进行了封装。结构体如下：

struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;//函数名
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;//method_types是个char指针，存储着方法的参数类型和返回值类型。
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;//函数指针，指向这个函数的首地址
}

在重复一下，Objective-C runtime是一个实现Objective-C语言的C库。

几个知识点的简要概述：

Object & Class & Meta Class

什么是Object？

在oc中有一个id的概念。他的定义为：

typedef struct objc_object *id;

struct objc_object {
    Class isa;
};

Objective-C中的object在最后会被转换成C的结构体，而在这个struct中有一个 isa 指针，指向它的类别 Class。

什么是Class？

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;

上面是类在runtime中的源代码，从这看，类其实也是一个结构体。这个结构体中的isa指向一个Metaclass。

什么是Metaclass？

仔细一看，发现 Class isa，原来，isa（Metaclass）的源码还是类的源码：

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;

Object， Class， MetaClass三者之间的关系？

Class存放类信息，方法数组存放实例方法；Meta Class存放类信息，方法数组存放类方法。
每一个object都有一个isa指针，isa指针指向自己的Class 每个Class都有一个isa指针指向一个唯一的Meta Class
每一个Meta Class的isa指针都指向最上层的Meta Class（图中的NSObject的Meta Class）最上层的Meta
Class的isa指针指向自己，形成一个回路每一个Meta Class的super class指针指向它原本Class的 Super
Class的Meta Class。但是最上层的Meta Class的 Super Class指向NSObject Class本身
最上层的NSObject Class的super class指向 nil

objective-C中的消息机制？

什么是SEL？

typedef struct objc_selector *SEL;

SEL是一个指向objc_selector结构体的指针。而 objc_selector 的定义并没有在runtime.h中给出定义。
编译器会根据每个方法的方法名为那个方法生成唯一的SEL。只要方法名相同，那么它的SEL就是一样的。每一个方法都对应着一个SEL。

什么是IMP？

typedef id (*IMP)(id, SEL, …);

IMP本质就是一个函数指针，这个被指向的函数包含一个接收消息的对象id，调用方法的SEL，以及一些方法参数，并返回一个id。因此我们可以通过SEL获得它所对应的IMP，在取得了函数指针之后，也就意味着我们取得了需要执行方法的代码入口，这样我们就可以像普通的C语言函数调用一样使用这个函数指针。

类中的方法存储？

什么是方法？

typedef struct objc_method *Method;

struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

方法存放位置？

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;                                                        OBJC2_UNAVAILABLE;

在创建一个类的时候，我们将类中的实例方法存放到objc_class结构体（类的结构体，前面提到）中的objc_method_list **methodLists中。将类中的类方法存放到相应的MetaClass中的类结构中的objc_method_list **methodLists中。我们可以理解为objc_class中 method list保存了一组SEL<->IMP的映射。

调用方法的具体步骤？

在Objective-C中，消息直到运行时才会绑定到方法的实现上。编译器会把代码中[target doSth]转换成 objc_msgSend消息函数，这个函数完成了动态绑定的所有事情。它的运行流程如下:

检查selector是否需要忽略。(ps: Mac开发中开启GC就会忽略retain,release方法。)
检查target是否为nil。如果为nil，直接cleanup，然后return。(这就是我们可以向nil发送消息的原因。)
然后在target的Class中根据Selector去找IMP

寻找IMP的过程:

先从当前class的cache方法列表（cache methodLists）里去找
找到了，跳到对应函数实现
没找到，就从class的方法列表（methodLists）里找
还找不到，就到super class的方法列表里找，直到找到基类(NSObject)为止
最后再找不到，就会进入动态方法解析和消息转发的机制。(这部分知识，http://southpeak.github.io/blog/2014/11/06/objective-c-runtime-yun-xing-shi-zhi-si-:method-swizzling/)

objective-C中的Category？

看Category的源码，不用想就知道这个又是一个结构体

typedef struct objc_category *Category;

struct objc_category {
    char *category_name                                      OBJC2_UNAVAILABLE;//分类名
    char *class_name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;//类名
    struct objc_method_list *instance_methods                OBJC2_UNAVAILABLE;//实例方法列表
    struct objc_method_list *class_methods                   OBJC2_UNAVAILABLE;//类方法列表
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;//协议列表
}

运行过程：

加载Category
将Category加载到所属的类中
将Category中的方法加载到Class或者MetaClass结构体中的方法列表中
(具体看这里的运行代码）

objective-C中的成员变量与属性？

什么是成员变量？

typedef struct objc_ivar *Ivar;

struct objc_ivar {
    char *ivar_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *ivar_type                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    int ivar_offset                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}

这里我们注意第三个成员 ivar_offset。它表示基地址偏移字节。我们通过字节偏移量来获取变量的地址。（具体方式不展开）

成员变量存放位置？

存放在之前我们仿佛强调的objc_class中的struct objc_ivar_list *ivars中。

属性和成员变量的区别？

类中的Property属性被编译器转换成了Ivar，并且自动添加了我们熟悉的Set和Get方法。

讲解Runtime，结合代码和题目

http://www.cocoachina.com/ios/20141224/10740.html
刨根问底Objective－C Runtime（1）－ Self & Super
刨根问底Objective－C Runtime（2）－ Object & Class & Meta Class
刨根问底Objective－C Runtime（3）－消息和Category
刨根问底Objective－C Runtime（4）- 成员变量与属性