Runtime之成员变量&属性&关联对象

上篇介绍了Runtime类和对象的相关知识点，在4.5和4.6小节，也介绍了成员变量和属性的一些方法应用。本篇将讨论实现细节的相关内容。

在讨论之前，我们先来介绍一个很冷僻但又很有用的一个关键字：@encode

1.类型编码

为了协助运行时系统，编译器用字符串为每个方法的返回值、参数类型和方法选择器编码，使用的编码方案在其他情况下也很有用。在 Objective-C 运行时的消息发送机制中，传递参数时，由于类型信息的缺失，需要类型编码进行辅助以保证类型信息也能够被传递。在实际的应用开发中，使用案例比较少：某些 API 中 Apple 建议使用 NSValue 的 valueWithBytes:objCType: 来获取值 (比如 CIAffineClamp 的文档里) ，这时的 objCType就需要类型的编码值；另外就是在类型信息丢失时我们可能需要用到这个特性。在上篇的函数介绍过程中，有几个函数用到了类型编码，types参数需要用 Objective-C 的编译器指令 @encode() 来创建，@encode() 返回的是 Objective-C 类型编码，这是一种内部表示的字符串（例如，@encode(int)→ i），类似于 ANSI C 的 typeof 操作，苹果的 Objective-C 运行时库内部利用类型编码帮助加快消息分发。

//添加方法
OBJC_EXPORT BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, 
                                 const char *types) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);
//替代方法的实现
OBJC_EXPORT IMP class_replaceMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, 
                                    const char *types) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);
//添加成员变量
OBJC_EXPORT BOOL class_addIvar(Class cls, const char *name, size_t size, 
                               uint8_t alignment, const char *types) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);
//为协议添加方法
OBJC_EXPORT void protocol_addMethodDescription(Protocol *proto, SEL name, const char *types, BOOL isRequiredMethod, BOOL isInstanceMethod) 
    OBJC_AVAILABLE(10.7, 4.3, 9.0, 1.0);

那么常用的类型编码都有哪些呢？

    NSLog(@"基本数据类型:");
    NSLog(@"short               \t\t %s", @encode(short));
    NSLog(@"int                 \t\t %s", @encode(int));
    NSLog(@"long                \t\t %s", @encode(long));
    NSLog(@"ong long            \t\t %s", @encode(long long));
    NSLog(@"float               \t\t %s", @encode(float));
    NSLog(@"double              \t\t %s", @encode(double));
    NSLog(@"char                \t\t %s", @encode(char));
    
    NSLog(@"\n");
    
    NSLog(@"指针和数组类型:");
    NSLog(@"int *               \t\t %s", @encode(int *));
    NSLog(@"int **              \t\t %s", @encode(int **));
    NSLog(@"int ***             \t\t %s", @encode(int ***));
    NSLog(@"int []              \t\t %s", @encode(int []));
    NSLog(@"int [2]             \t\t %s", @encode(int [2]));
    NSLog(@"int [][3]           \t\t %s", @encode(int [][3]));
    NSLog(@"int [3][3]          \t\t %s", @encode(int [3][3]));
    NSLog(@"int [][4][4]        \t\t %s", @encode(int [][4][4]));
    NSLog(@"int [4][4][4]       \t\t %s", @encode(int [4][4][4]));
    
    NSLog(@"\n");
    
    NSLog(@"空类型:");
    NSLog(@"void                \t\t %s", @encode(void));
    NSLog(@"void *              \t\t %s", @encode(void *));
    NSLog(@"void **             \t\t %s", @encode(void **));
    NSLog(@"void ***            \t\t %s", @encode(void ***));
    
    NSLog(@"\n");
    
    NSLog(@"结构体类型:");
    struct Person {
        char *anme;
        int age;
        char *birthday;
    };
    NSLog(@"struct Person       \t\t %s", @encode(struct Person));
    NSLog(@"CGPoint             \t\t %s", @encode(CGPoint));
    NSLog(@"CGRect              \t\t %s", @encode(CGRect));
    
    NSLog(@"\n");
    
    NSLog(@"OC类型:");
    NSLog(@"BOOL                   \t\t %s", @encode(BOOL));
    NSLog(@"SEL                    \t\t %s", @encode(SEL));
    NSLog(@"id                     \t\t %s", @encode(id));
    NSLog(@"Class                  \t\t %s", @encode(Class));
    NSLog(@"Class *                \t\t %s", @encode(Class *));
    NSLog(@"NSObject class         \t\t %s", @encode(typeof([NSObject class])));
    NSLog(@"[NSObject class] *     \t\t %s", @encode(typeof([NSObject class]) *));
    NSLog(@"NSObject               \t\t %s", @encode(NSObject));
    NSLog(@"NSObject *             \t\t %s", @encode(NSObject *));
    NSLog(@"NSArray                \t\t %s", @encode(NSArray));
    NSLog(@"NSArray *              \t\t %s", @encode(NSArray *));
    NSLog(@"NSMutableArray         \t\t %s", @encode(NSMutableArray));
    NSLog(@"NSMutableArray *       \t\t %s", @encode(NSMutableArray *));
    NSLog(@"UIView                 \t\t %s", @encode(UIView));
    NSLog(@"UIView *               \t\t %s", @encode(UIView *));
    NSLog(@"UIImage                \t\t %s", @encode(UIImage));
    NSLog(@"UIImage *              \t\t %s", @encode(UIImage *)); 

打印结果：

其他类型可参考Type Encoding，在此不细说。

对于属性而言，还会有一些特殊的类型编码，以表明属性是只读、拷贝、retain等等，详情可以参考Property Type String。

2.成员变量 

Ivar是表示实例变量的类型，其实际是指向objc_ivar结构体的指针，其定义如下：

typedef struct objc_ivar *Ivar;

struct objc_ivar {
    char *ivar_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;  //变量名
    char *ivar_type                                          OBJC2_UNAVAILABLE;  //变量类型
    int ivar_offset                                          OBJC2_UNAVAILABLE;  //基地址偏移字节
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}  

对应的操作函数有如下几个：

//获取成员变量名
OBJC_EXPORT const char *ivar_getName(Ivar v) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);
//设置成员变量值
OBJC_EXPORT void object_setIvar(id obj, Ivar ivar, id value) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);
//获取成员变量值
OBJC_EXPORT id object_getIvar(id obj, Ivar ivar) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);
// 获取成员变量类型编码
OBJC_EXPORT const char *ivar_getTypeEncoding(Ivar v) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);
// 获取成员变量的偏移量 对于类型id或其它对象类型的实例变量，可以调用object_getIvar和object_setIvar来直接访问成员变量，而不使用偏移量
OBJC_EXPORT ptrdiff_t ivar_getOffset(Ivar v) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);

这几个方法在上篇中已经使用，这里就不提供示例了。

3.属性

objc_property_t是表示属性的类型，其实际是指向objc_property结构体的指针，其定义如下：

typedef struct objc_property *objc_property_t;

//来自objc-private.h
struct objc_property {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

objc_property_attribute_t定义了属性的特性(attribute)，它也是一个结构体，定义如下：

typedef struct {
    const char *name;  //特性名
    const char *value;  //特性值
} objc_property_attribute_t;

对应的操作函数有如下几个：

//获取属性名
OBJC_EXPORT const char *property_getName(objc_property_t property) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);
// 获取属性特性描述字符串
OBJC_EXPORT const char *property_getAttributes(objc_property_t property) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);
// 获取属性中指定的特性
OBJC_EXPORT char *property_copyAttributeValue(objc_property_t property, const char *attributeName)
    OBJC_AVAILABLE(10.7, 4.3, 9.0, 1.0);
// 获取属性的特性列表
OBJC_EXPORT objc_property_attribute_t *property_copyAttributeList(objc_property_t property, unsigned int *outCount)
    OBJC_AVAILABLE(10.7, 4.3, 9.0, 1.0);

这几个方法在上篇中已经使用，这里就不提供示例了。

4.关联对象

我们知道，在 Objective-C 中可以通过 Category 给一个现有的类添加属性，但是却不能添加实例变量。Objective-C针对这一问题，提供了一个解决方案：即关联对象。

关联对象类似于成员变量，不过是在运行时添加的。我们通常会把成员变量(Ivar)放在类声明的头文件中，或者放在类实现的@implementation后面。但这有一个缺点，我们不能再分类中添加成员变量。如果我们尝试在分类中添加新的成员变量，编译器会报错。

与关联对象相关的函数有如下三个：

//给对象添加关联对象，传入 nil 则可以移除已有的关联对象
OBJC_EXPORT void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
    OBJC_AVAILABLE(10.6, 3.1, 9.0, 1.0);
//获取关联对象
OBJC_EXPORT id objc_getAssociatedObject(id object, const void *key)
    OBJC_AVAILABLE(10.6, 3.1, 9.0, 1.0);
//移除一个对象的所有关联对象
OBJC_EXPORT void objc_removeAssociatedObjects(id object)
    OBJC_AVAILABLE(10.6, 3.1, 9.0, 1.0);

【注意】：objc_removeAssociatedObjects 函数我们一般是用不上的，因为这个函数会移除一个对象的所有关联对象，将该对象恢复成“原始”状态。这样做就很有可能把别人添加的关联对象也一并移除，这并不是我们所希望的。所以一般的做法是通过给 objc_setAssociatedObject 函数传入 nil 来移除某个已有的关联对象。

在给一个对象添加关联对象时有五种关联策略可供选择：

关联策略	等价属性	说明
OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN	@property (assign) @property (unsafe_unretained)	弱引用关联对象
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC	@property (strong, nonatomic)	强引用关联对象，非原子操作
OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC	@property (copy, nonatomic)	复制关联对象，非原子操作
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN	@property (strong, atomic)	强引用关联对象，原子操作
OBJC_ASSOCIATION_COPY	@property (copy, atomic)	复制关联对象，原子操作

5.应用讲解

5.1归档解档

首先我们先来思考一下我们常规的归档解档方案：

//第一步：实现协议NSCoding
@interface GofUser : NSObject<NSCoding>

@property (nonatomic, strong) NSString *name;  //!<姓名
@property (nonatomic, strong) NSString *phone;  //!<电话

@end

@implementation GofUser
//第二步：实现协议的两个方法
- (instancetype)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder {
    if (self = [super init]) {
　　　　 //需要解码的属性
        self.name = [aDecoder decodeObjectForKey:@"name"];  
        self.phone = [aDecoder decodeObjectForKey:@"phone"];
    }
    return self;
}

- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder {
    //需要编码的属性
    [aCoder encodeObject:self.name forKey:@"name"];
    [aCoder encodeObject:self.phone forKey:@"phone"];
}

@end

//第三步：归档
GofUser *user = [[GofUser alloc] init];
user.name = @"LeeGof";
user.phone = @"13800138000";
        
[NSKeyedArchiver archiveRootObject:user toFile:[GofUser cacheMetadataFilePath]];

//第四步：解档
GofUser *user1 = [NSKeyedUnarchiver unarchiveObjectWithFile:[GofUser cacheMetadataFilePath]];
NSLog(@"name : %@  phone : %@", user1.name, user1.phone);

这里的GofUser类只有两个属性，如果要归档的类有100个属性怎么办？难道在NSCoding协议的两个方法各写100次吗？答案是否定的，我们可以用runtime的成员变量来实现。

//核心代码
- (instancetype)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++) {
            //取出成员变量
            Ivar ivar = ivars[i];
            const char *name = ivar_getName(ivar);
            //获取KEY
            NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name];
            //解档
            id value = [aDecoder decodeObjectForKey:key];
            //KVC赋值
            [self setValue:value forKey:key];
        }
        free(ivars);
    }
    return self;
}

- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder {
    unsigned int count = 0;
    Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &count);
    
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        //取出成员变量
        Ivar ivar = ivars[i];
        const char *name = ivar_getName(ivar);
        //获取KEY
        NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name];
        //归档
        [aCoder encodeObject:[self valueForKey:key] forKey:key];
    }
    free(ivars);
}

【思考】：使用这种方式，成员变量能否正常的归档和解档？

5.2关联对象

假设现在有这么一个应用场景：需要动态的给一个GofPerson类添加属性workSpace。

@interface GofPerson (GofWork)

@property (nonatomic, strong) NSString *workSpace;  //!<工作空间

@end

static const void *s_WorkSpace = "s_WorkSpace";
@implementation GofPerson (GofWork)

- (void)setWorkSpace:(NSString *)workSpace {
    objc_setAssociatedObject(self, s_WorkSpace, workSpace, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}

- (NSString *)workSpace {
    return objc_getAssociatedObject(self, s_WorkSpace);
}

@end

6.小结

本篇讨论了Runtime中成员变量、属性、关联对象相关的内容。成员变量与属性是类的数据基础，合理地使用Runtime中的相关操作能让我们更加灵活地来处理与类数据相关的工作。