Objective-C：runtime

Runtime系统是一个由一系列C语言函数和数据结构组成的动态共享库，即通过面向过程语言C实现Objective-C语言的面向对象特性。

1 、概述

Objective-C语言是一门动态语言，它将很多静态语言在编译和链接时期做的事放到了运行时来处理。这种特性意味着Objective-C不仅需要一个编译器，还需要一个运行时系统来执行编译的代码。对于Objective-C来说，这个运行时系统就像一个操作系统一样：它让所有的工作可以正常的运行，这个运行时系统即Objc Runtime。Objc Runtime其实是一个Runtime库，它基本上是用C和汇编写的，这个库使得C语言有了面向对象的能力。

Objective-C runtime目前有两个版本：

1) Modern Runtime ：在Objective-C 2.0 引进，覆盖了64位的Mac OS X Apps，还有 iOS Apps；

2) Legacy Runtime 是早期用来给32位 Mac OS X Apps 用的，也就是可以不用管就是了。

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。

2、类与对象

2.1 面向对象模型

在面向对象编程模型中，主要围绕两种结构进行设计和编程：类与对象。

2.1.1 对象

对象是人们要进行研究的任何事物，从最简单的整数到复杂的飞机等均可看作对象，它不仅能表示具体的事物，还能表示抽象的规则、计划或事件。

对象实现了数据和操作的结合，使数据和操作封装于对象的统一体中：

1) 数据：一个对象用数据值来描述它的状态。

2) 操作：用于改变对象的状态，对象及其操作就是对象的行为。

2.1.2 类

具有相同特性（数据元素）和行为（功能）的对象的抽象就是类。因此，对象的抽象是类，类的具体化就是对象，也可以说类的实例是对象，类实际上就是一种数据类型。

2.2 数据结构

由于Objective-C底层是通过C语言实现，但C语言又不存在类和对象。为了描述面向对象的特性，所以Objective-C使用C语言的结构体来表示类和对象，即Objective-C语言中的类和对象本身是由结构体表示。

2.2.1 类结构

Objective-C的类是由Class类型来表示的，它实际上是一个指向objc_class结构体的指针。可以在［3］项目Public Headers/runtime.h目录下发现有如下定义：

定义 21：objc_class结构体

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class

{

Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__

Class super_class //父类

const char *name //类名

long version //类的版本信息，默认为0

long info //类信息，供运行期使用的一些位标识

long instance_size //该类的实例变量大小

struct objc_ivar_list *ivars //该类的成员变量链表

struct objc_method_list **methodLists //方法定义的链表

struct objc_cache *cache //方法缓存

struct objc_protocol_list *protocols //协议链表

#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

在这个定义中，下面几个字段是我们感兴趣的

1) isa：需要注意的是在Objective-C中，所有的类自身也是一个对象，这个对象的Class里面也有一个isa指针，它指向metaClass(元类)，在后面会介绍它。

2) super_class：指向该类的父类，如果该类已经是最顶层的根类(如NSObject或NSProxy)，则super_class为NULL。

2.2.2 对象结构

在Objective-C中的对象由objc_object结构体表示，它的定义如下(objc/objc.h)：

定义 22：objc_object结构体

struct objc_object

{

Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;

};

typedef struct objc_object *id;

可以看到，这个结构体只有一个成员，即指向其类的isa指针。这样，当向一个Objective-C对象发送消息时，运行时库会根据实例对象的isa指针找到这个实例对象所属的类。Runtime库会在类的方法列表及父类的方法列表中去寻找与消息对应的selector指向的方法。找到后即运行这个方法。

2.3 Objective-C设计模型

C++模型中有两种结构：静态成员和非静态成员。静态成员属于整个类所有的对象包括类，任何对象都可以操作；而非静态成员只属于实例化后的某个对象，是对象所独有的，若未实例化则无法访问。

类似C++模型，Objective-C模型也有两种操作实例的方式：实例方法和类方法。若要操作实例方法需要将类进行实例化为对象，然后通过对象来操作方法；若要操作类方法，则不需要实现化，直接通过类即可操作类方法。

由于Objective-C模型存在实例操作方法和类操作方法，所以runtime系统需要某种方式来存储这两种方法：

1) 对象实例：该实例只是一种连续的二进制数据流（即void*类型），用于存放对象中的数据（即Objective-C成员变量），并且对象实例的二进制数据流中第一个数据类型永远为objc_class指针（命名为isa），之后才存放其它数据成员，之后其它数据成员占多大的字节由类实例（即objc_class对象）类定义。

2)类实例：该实例是objc_class结构体的实例化对象，是对象实例的一种"导航"，其存放对象实例的所有信息，包括二进制数据流的分配和对象实例提供的操作方法等各种。

3)元类实例：该实例也是objc_class结构体的实例化对象，不同的是该实例是类实例的"导航"，其存放类实例的所有信息，当要操作类方法时，就通过元类实例来操作类实例。

图 21 Objective-C实例关系图

2.3.1 对象实例

2.3.1.1 内存空间布局

对象实例其实是一种连续的二进制数据流（即void*类型），其存放两种内容：objc_class指针和Objective-C对象的所有数据。而对象数据如何在二进制数据中组织，及对象的操作方法则存放在类实例中，并且创建的对象实例的大小由类实例中的instance_size值决定。

图 22 对象实例内存空间布局

如创建创建一个MyClass对象，其内存空间布局如表 21所示：

@interface MyClass

{

int age;

float height;

}

@end

表 21 MyClass对象实例的内存布局

序号	成员	字节占用大小
0	objc_class *isa	8
1	int age	4
2	float height	4

2.3.1.2 创建对象实例

当创建Objective-C对象时，runtime通过malloc创建一块堆空间，然后再强制转换为objc_object*类型，最后初始化其isa。可在runtime.h文件中发现其创建的过程：class_createInstance() --> _class_createInstance() --> _class_createInstanceFromZone()

1 id  _class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone)
2 {    ...
3     size = cls->alignedInstanceSize() + extraBytes;   //获取对象实例的空间大小
4     bytes = calloc(1, size);     //创建内存空间
5     ...
6     return objc_constructInstance(cls, bytes);
7 }
8 id  objc_constructInstance(Class cls, void *bytes)
9 {
10     ...
11     id obj = (id)bytes;  //将void＊类型强制转换为objc_object*类型
12     obj->initIsa(cls);   //初始化objc_object结构体中的isa成员
13     ...
14     return obj;
15 }

2.3.1.3 访问成员变量

访问成员变量首先通过对象实例中的isa指针，获取objc_class对象中指定变量的信息；然后再访问对象实例中的某块内存。

1) 获取变量信息

变量的信息都存储在类实例（即objc_class对象）中，所以根据对象实例（即objc_object对象）中的isa指针索引到类实例，然后遍历类实例中定义了变量。可在runtime.h文件中的 class_getInstanceVariable方法查看其过程：

1 Ivar class_getInstanceVariable(Class cls, const char *name)
2 {
3     if (!cls  ||  !name) return nil;
4     return _class_getVariable(cls, name, nil);
5 }
6 Ivar _class_getVariable(Class cls, const char *name, Class *memberOf)
7 {
8     for (; cls != Nil; cls = cls->superclass) {   //遍历继承结构所有的变量
9         int i;
10         for (i = 0; i < cls->ivars->ivar_count; i++) {
11             old_ivar *ivar = &cls->ivars->ivar_list[i];
12             if (ivar->ivar_name  &&  0 == strcmp(name, ivar->ivar_name)) {  //比较是否与指定的变量相同
13                 if (memberOf) *memberOf = cls;
14                 return (Ivar)ivar;
15             }
16         }
17     }
18     return nil;
19 }

2) 获取实例内容

根据objc_class对象中定义的变量信息，可计算出变量的偏移量，从而获取变量的地址，最后可获取或设置objc_object对象中的变量值。如runtime.h文件中的object_getIvar和object_setIvar方法：

1 id object_getIvar(id obj, Ivar ivar)
2 {        ...
3         ptrdiff_t ivar_offset = ivar_getOffset(ivar);  //获取变量的偏移量
4         id *idx = (id *)((char *)obj + ivar_offset);  //计算变量的起始地址，并强制转换为id＊类型。
5         ...
6         return *idx;
7  }
8 void object_setIvar(id obj, Ivar ivar, id value)
9 {        ...
10         ptrdiff_t ivar_offset = ivar_getOffset(ivar);  //获取变量的偏移量
11         id *location = (id *)((char *)obj + ivar_offset);  //计算变量的起始地址，并强制转换为id＊类型。
12         ...
13         *location = value;  //设置为指定值
14         ...
15 }

2.3.2 类实例

2.3.2.1 内存空间布局

类实例是objc_class结构体的实例化对象，若创建的类是基类，则创建实例大小为sizeof(objc_class)；若创建的类不是基类，则其实例创建的内存空间大小是由isa指针的元类（即objc_class对象）决定。

其中每个Objective-C类只实例化一个类实例，所有该类型的对象实例中的isa指针都指向该类实例。一般由编译器自动实例化。如下所示，不同的对象拥有同一个类实例：

1 -(void)testMetaClass
2 {
3     MyClass *myClass1 = [[MyClass alloc] init];
4     Class isa1 = [myClass1 class];
5     NSLog(@"object1 is %p.", myClass1);
6     NSLog(@"object1 isa pointer: %p", isa1);
7
8     MyClass *myClass2 = [[MyClass alloc] init];
9     Class isa2 = [myClass2 class];
10     NSLog(@"object2 is %p.", myClass2);
11     NSLog(@"object2 isa pointer: %p", isa2);
12 }
13 2016-02-18 20:30:02.808 runtimeProject[1052:78156] object1 is 0x7fda02c1d100.
14 2016-02-18 20:30:02.808 runtimeProject[1052:78156] object1 isa pointer: 0x1069a13e0
15 2016-02-18 20:30:02.808 runtimeProject[1052:78156] object2 is 0x7fda02d25d00.
16 2016-02-18 20:30:02.809 runtimeProject[1052:78156] object2 isa pointer: 0x1069a13e0

2.3.2.2 创建类实例

创建类实例，同样是申请其内存空间占用的大小；然后强制转换为objc_class＊；最后对类实例的成员进行初始化。可在runtime.h文件中查看objc_allocateClassPair方法创建一个没有任何成员的类实例的实现：

1 Class objc_allocateClassPair(Class supercls, const char *name,  size_t extraBytes)
2 {
3     Class cls, meta;
4     // Allocate new classes.
5     if (supercls) {  //有父类
6         cls = (Class) calloc(1, supercls->ISA()->alignedInstanceSize() + extraBytes);
7         meta = (Class) calloc(1, supercls->ISA()->ISA()->alignedInstanceSize() + extraBytes);
8     } else {  //无父类
9         cls = (Class) calloc(1, sizeof(objc_class) + extraBytes);
10         meta = (Class) calloc(1, sizeof(objc_class) + extraBytes);
11     }
12
13     objc_initializeClassPair(supercls, name, cls, meta);
14     return cls;
15 }
16 Class objc_initializeClassPair(Class supercls, const char *name, Class cls, Class meta)
17 {
18     // Connect to superclasses and metaclasses
19     cls->initIsa(meta);
20     set_superclass(cls, supercls, YES);
21
22     // Set basic info
23     cls->name = strdup(name);
24     meta->name = strdup(name);
25     cls->version = 0;
26     meta->version = 7;
27     cls->info = CLS_CLASS | CLS_CONSTRUCTING | CLS_EXT | CLS_LEAF;
28     meta->info = CLS_META | CLS_CONSTRUCTING | CLS_EXT | CLS_LEAF;
29
30     // Set instance size based on superclass.
31     if (supercls) {
32         cls->instance_size = supercls->instance_size;
33         meta->instance_size = supercls->ISA()->instance_size;
34     } else {
35         cls->instance_size = sizeof(Class);  // just an isa
36         meta->instance_size = sizeof(objc_class);
37     }
38
39     // No ivars. No methods. Empty cache. No protocols. No layout. Empty ext.
40     cls->ivars = nil;
41     cls->methodLists = nil;
42     cls->cache = (Cache)&_objc_empty_cache;
43     cls->protocols = nil;
44     cls->ivar_layout = &UnsetLayout;
45     cls->ext = nil;
46     allocateExt(cls);
47     cls->ext->weak_ivar_layout = &UnsetLayout;
48
49     meta->ivars = nil;
50     meta->methodLists = nil;
51     meta->cache = (Cache)&_objc_empty_cache;
52     meta->protocols = nil;
53     meta->ext = nil;
54
55     return cls;
56 }

2.3.2.3 添加成员变量

objc_allocateClassPair方法只创建了一个没有任何成员的类实例，若要添加变量可以调用class_addIvar方法。由于类实例是对象实例操作的导航对象，若往类实例中添加了新变量，则需要修改objc_class对象中的instance_size成员值。可查看runtime.h文件中的class_addIvar方法实现：

1 BOOL class_addIvar(Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *type)
2 {
3         old_ivar_list *old = cls->ivars;
4         size_t oldSize;
5         int newCount;
6         old_ivar *ivar;
7         ...
8         // 创建新的地址空间，并复制原来变量链表中的内容
9         cls->ivars = (old_ivar_list *) calloc(oldSize+sizeof(old_ivar), 1);
10         if (old) memcpy(cls->ivars, old, oldSize);
11         if (old  &&  malloc_size(old)) free(old);
12         cls->ivars->ivar_count = newCount;
13         ivar = &cls->ivars->ivar_list[newCount-1];
14
15         // 设置新添加变量的内容
16         ivar->ivar_name = strdup(name);
17         ivar->ivar_type = strdup(type);
18         ivar->ivar_offset = (int)cls->instance_size;
19
20         cls->instance_size += (long)size;  // 加长对象实例的大小
21
22     return result;
23 }

2.3.3 元类实例

2.3.3.1 内存空间布局

元类实例也是objc_class结构体的实例化对象，并且其创建过程也可在objc_allocateClassPair方法中进行，同时同一个类的所有对象拥有同一个元类实例。不同的是该实例是类实例的"导航"，其存放类实例的所有信息，当要操作类方法时，就通过元类实例来操作类实例。

2.3.3.2 三实例的关系

对于同一个类中的对象实例、类实例和元类实例之间存在紧密的联系，其中对象实例存在多个，而类实例和元类实例是只存在一个。由定义 21和定义 22可知，objc_object结构体存在isa指针，而objc_class结构体存在isa和superclass指针，三实例就是通过这些指针进行联系的，如图 22所示是三者的关系图。

图 23 三实例之间的关系

注意：

1) root class为基类，一般NSObject为基类，若创建的类不基础任何类，则所创建的类为基类。

2) 所有元类的isa指针都指向root class的元类实例，包括root class meta本身。

3) class meta的superclass指针指向父类的meta，但root class meta的superclass指针则指向root class。

4) root class的superclass指针为空。

2.4 简单示例

2.4.1 动态创建类和对象

本例在运行时，动态创建一个类，并添加一个方法；接着创建给类的一个实例对象。在类的方法中输出其对象实例、类实例、元类实例、基元类实例等地址，从而验证图 22所示关系图的正确性。

1 void ReportFunction(id self, SEL _cmd)
2 {
3     NSLog(@"This object is %p.", self);
4     NSLog(@"Class is %@, and super is %@.", [self class], [self superclass]);
5
6     Class currentClass = [self class];
7     for (int i = 1; i < 5; i++)
8     {
9         NSLog(@"Following the isa pointer %d times gives %p", i, currentClass);
10         currentClass = object_getClass(currentClass);
11     }
12
13     NSLog(@"NSObject's class is %p", [NSObject class]);
14     NSLog(@"NSObject's meta class is %p", object_getClass([NSObject class]));
15 }
16 -(void) report
17 {
18     Class newClass = objc_allocateClassPair([NSError class], "RuntimeErrorSubclass", 0);
19     class_addMethod(newClass, @selector(report), (IMP)ReportFunction, "v@:");//"v@:"用于描述所添加方法的参数类型。v表示方法的返回参数类型，@表示第一个参数的类型，:表示第二个参数的类型。更多类型可参考Objective-C Runtime Programming Guide > Type Encodings.
20     objc_registerClassPair(newClass);
21
22     id instanceOfNewClass = [[newClass alloc] initWithDomain:@"someDomain" code:0 userInfo:nil];
23     [instanceOfNewClass performSelector:@selector(report)];
24     [instanceOfNewClass release];
25 }
26 -(void) main
27 {
28     [self report];
29     return;
30 }
31 2016-02-22 19:37:41.173 runtimeProject[882:81773] This object is 0x7fd5c8c02d30.
32 2016-02-22 19:37:41.174 runtimeProject[882:81773] Class is RuntimeErrorSubclass, and super is NSError.
33 2016-02-22 19:37:41.174 runtimeProject[882:81773] Following the isa pointer 1 times gives 0x7fd5c8c03180
34 2016-02-22 19:37:41.174 runtimeProject[882:81773] Following the isa pointer 2 times gives 0x7fd5c8c048c0
35 2016-02-22 19:37:41.174 runtimeProject[882:81773] Following the isa pointer 3 times gives 0x103ada198
36 2016-02-22 19:37:41.175 runtimeProject[882:81773] Following the isa pointer 4 times gives 0x103ada198
37 2016-02-22 19:37:41.175 runtimeProject[882:81773] NSObject's class is 0x103ada170
38 2016-02-22 19:37:41.175 runtimeProject[882:81773] NSObject's meta class is 0x103ada198

2.4.2 类与对象的操作函数

本例采用静态方式创建一个类，然后采用动态方式输出该类的信息。

  1 @interface MyClass : NSObject<NSCopying, NSCoding>
  2 @property (nonatomic, strong) NSArray *array;
  3 @property (nonatomic, copy) NSString *string;
  4
  5 - (void)method1;
  6 - (void)method2;
  7 + (void)classMethod1;
  8 @end
  9 -(void) main
10 {
11     @autoreleasepool {
12         MyClass *myClass = [[MyClass alloc] init];
13         unsigned int outCount = 0;
14         Class cls = myClass.class;
15         // 类名
16         NSLog(@"class name: %s", class_getName(cls));
17         NSLog(@"==========================================================");
18         // 父类
19         NSLog(@"super class name: %s", class_getName(class_getSuperclass(cls)));
20         NSLog(@"==========================================================");
21
22         // 是否是元类
23         NSLog(@"MyClass is %@ a meta-class", (class_isMetaClass(cls) ? @"" : @"not"));
24         NSLog(@"==========================================================");
25
26         Class meta_class = objc_getMetaClass(class_getName(cls));
27         NSLog(@"%s's meta-class is %s", class_getName(cls), class_getName(meta_class));
28         NSLog(@"==========================================================");
29
30         // 变量实例大小
31         NSLog(@"instance size: %zu", class_getInstanceSize(cls));
32         NSLog(@"==========================================================");
33
34         // 成员变量
35         Ivar *ivars = class_copyIvarList(cls, &outCount);
36         for (int i = 0; i < outCount; i++) {
37             Ivar ivar = ivars[i];
38             NSLog(@"instance variable's name: %s at index: %d", ivar_getName(ivar), i);
39         }
40         free(ivars);
41
42         Ivar string = class_getInstanceVariable(cls, "_string");
43         if (string != NULL) {
44             NSLog(@"instace variable %s", ivar_getName(string));
45         }
46
47         NSLog(@"==========================================================");
48         // 属性操作
49         objc_property_t * properties = class_copyPropertyList(cls, &outCount);
50         for (int i = 0; i < outCount; i++) {
51             objc_property_t property = properties[i];
52             NSLog(@"property's name: %s", property_getName(property));
53         }
54
55         free(properties);
56
57         objc_property_t array = class_getProperty(cls, "array");
58         if (array != NULL) {
59             NSLog(@"property %s", property_getName(array));
60         }
61
62         NSLog(@"==========================================================");
63         // 方法操作
64         Method *methods = class_copyMethodList(cls, &outCount);
65         for (int i = 0; i < outCount; i++) {
66             Method method = methods[i];
67             NSLog(@"method's signature: %s", method_getName(method));
68         }
69
70         free(methods);
71         Method method1 = class_getInstanceMethod(cls, @selector(method1));
72         if (method1 != NULL) {
73             NSLog(@"method %s", method_getName(method1));
74         }
75
76         Method classMethod = class_getClassMethod(cls, @selector(classMethod1));
77         if (classMethod != NULL) {
78             NSLog(@"class method : %s", method_getName(classMethod));
79         }
80
81         NSLog(@"MyClass is%@ responsd to selector: method3WithArg1:arg2:", class_respondsToSelector(cls, @selector(method3WithArg1:arg2:)) ? @"" : @" not");
82         IMP imp = class_getMethodImplementation(cls, @selector(method1));
83         imp();
84
85         NSLog(@"==========================================================");
86         // 协议
87         Protocol * __unsafe_unretained * protocols = class_copyProtocolList(cls, &outCount);
88         Protocol * protocol;
89         for (int i = 0; i < outCount; i++) {
90             protocol = protocols[i];
91             NSLog(@"protocol name: %s", protocol_getName(protocol));
92         }
93
94         NSLog(@"MyClass is%@ responsed to protocol %s", class_conformsToProtocol(cls, protocol) ? @"" : @" not", protocol_getName(protocol));
95         NSLog(@"==========================================================");
96     }
97 }
98 2016-02-22 19:51:02.403 runtimeProject[1017:91880] class name: MyClass
99 2016-02-22 19:51:02.404 runtimeProject[1017:91880] ==========================================================
100 2016-02-22 19:51:02.404 runtimeProject[1017:91880] super class name: NSObject
101 2016-02-22 19:51:02.404 runtimeProject[1017:91880] ==========================================================
102 2016-02-22 19:51:02.404 runtimeProject[1017:91880] MyClass is not a meta-class
103 2016-02-22 19:51:02.404 runtimeProject[1017:91880] ==========================================================
104 2016-02-22 19:51:02.404 runtimeProject[1017:91880] MyClass's meta-class is MyClass
105 2016-02-22 19:51:02.405 runtimeProject[1017:91880] ==========================================================
106 2016-02-22 19:51:02.405 runtimeProject[1017:91880] instance size: 24
107 2016-02-22 19:51:02.405 runtimeProject[1017:91880] ==========================================================
108 2016-02-22 19:51:02.405 runtimeProject[1017:91880] instance variable's name: _array at index: 0
109 2016-02-22 19:51:02.405 runtimeProject[1017:91880] instance variable's name: _string at index: 1
110 2016-02-22 19:51:02.405 runtimeProject[1017:91880] instace variable _string
111 2016-02-22 19:51:02.405 runtimeProject[1017:91880] ==========================================================
112 2016-02-22 19:51:02.406 runtimeProject[1017:91880] property's name: array
113 2016-02-22 19:51:02.406 runtimeProject[1017:91880] property's name: string
114 2016-02-22 19:51:02.406 runtimeProject[1017:91880] property array
115 2016-02-22 19:51:02.406 runtimeProject[1017:91880] ==========================================================
116 2016-02-22 19:51:02.406 runtimeProject[1017:91880] method's signature: method1
117 2016-02-22 19:51:02.407 runtimeProject[1017:91880] method's signature: method2
118 2016-02-22 19:51:02.407 runtimeProject[1017:91880] method's signature: method3WithArg1:arg2:
119 2016-02-22 19:51:02.407 runtimeProject[1017:91880] method's signature: setArray:
120 2016-02-22 19:51:02.407 runtimeProject[1017:91880] method's signature: string
121 2016-02-22 19:51:02.407 runtimeProject[1017:91880] method's signature: setString:
122 2016-02-22 19:51:02.407 runtimeProject[1017:91880] method's signature: array
123 2016-02-22 19:51:02.408 runtimeProject[1017:91880] method method1
124 2016-02-22 19:51:02.408 runtimeProject[1017:91880] class method : classMethod1
125 2016-02-22 19:51:02.408 runtimeProject[1017:91880] MyClass is responsd to selector: method3WithArg1:arg2:
126 2016-02-22 19:51:02.408 runtimeProject[1017:91880] call method method1
127 2016-02-22 19:51:02.409 runtimeProject[1017:91880] ==========================================================
128 2016-02-22 19:51:02.409 runtimeProject[1017:91880] protocol name: NSCopying
129 2016-02-22 19:51:02.409 runtimeProject[1017:91880] protocol name: NSCoding
130 2016-02-22 19:51:02.409 runtimeProject[1017:91880] MyClass is responsed to protocol NSCoding
131 2016-02-22 19:51:02.410 runtimeProject[1017:91880] ==========================================================

3、成员变量与属性

3.1 数据结构

3.1.1 Ivar

Ivar是表示实例变量的类型，其实际是一个指向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

}

objc_ivar结构体中的ivar_type成员描述了变量的类型，而runtime系统定义了一套标识符来描述Objective-C语言中的每种类型。通过@encode编译器指令，可从Objective-C类型的编译为runtime标识符，即@encode返回这个类型的字符串编码。这些类型可以是诸如int、指针这样的基本类型，也可以是结构体、类等类型。事实上，任何可以作为sizeof()操作参数的类型都可以用于@encode()。所有编码类型可参考在［2］Type Encoding小节。

一个数组的类型编码位于方括号中；其中包含数组元素的个数及元素类型。如所示：

1 float a[] = {1.0, 2.0, 3.0};
2 NSLog(@"array encoding type: %s", @encode(typeof(a)));
3 2016-02-25 20:00:28.489 runtimeProject[977:88513] array encoding type: [3f]

另外对于属性而言，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［2］Property Type String小节。

3.1.2 objc_property_t

objc_property_t是表示Objective-C声明的属性的类型，及定义了objc_property_attribute_t，为属性的特性(attribute)。如下所示：

typedef struct objc_property *objc_property_t;

typedef struct {

const char *name; /**< The name of the attribute */

const char *value; /**< The value of the attribute (usually empty) */

} objc_property_attribute_t;

4、方法与消息

4.1 数据结构

4.1.1 SEL

1) 定义

SEL又叫选择器，用于标识一个方法。Objective-C在编译时，会依据每一个方法的名字生成一个唯一的整型标识(Int类型的地址)，这个标识就是SEL。如下是SEL的定义：

定义 41 SEL结构体定义

typedef struct objc_selector *SEL;

SEL sel1 = @selector(method1);

NSLog(@"sel : %p", sel1);

2014-10-30 18:40:07.518 RuntimeTest[52734:466626] sel : 0x100002d72

注意：

可以通过sel_registerName函数动态添加一个新的SEL，并且不能将C类型的字符串直接转换为SEL，需要通过@selector()宏定义进行转换。

2)SEL关系

SEL在runtime中是唯一的，即只要方法或函数的名字相同，那么生成的SEL标识值就一样。所以在Objective-C同一个类(及类的继承体系)中，不能存在2个同名的方法，即使参数类型不同也不行。相同的方法只能对应一个SEL。这也就导致了Objective-C语言中不存在函数多态，如在某个类中定义以下两个方法，将发生编译错误：

- (void)setWidth:(int)width;

- (void)setWidth:(double)width;

当然，不同的类可以拥有相同的selector，这个没有问题。不同类的实例对象执行相同的selector时，会在各自的方法列表中去根据selector去寻找自己对应的IMP。

4.1.2 IMP

IMP实际上是一个函数指针，指向函数实现的首地址。即IMP是一个函数的通用实现结构体，表示一个函数的实现，其定义如下：

定义 42 IMP结构体定义

id (*IMP)(id, SEL, ...)

第一个参数：指向self的指针(如果是实例方法，则是类实例的内存地址；如果是类方法，则是指向元类的指针)；

第二个参数：方法选择器(selector)；

后续参数：为方法的实际参数列表。

4.1.3 Method

函数由两部分组成：函数声明和函数实现。函数声明由SEL结构体表示，而函数实现由IMP结构体表示。在runtime中采用Method结构体来描述类的函数，其定义如下：

定义 43 Method结构体定义

typedef struct objc_method *Method;

struct objc_method {

SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;

char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE;

IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;

}

可以看到该结构体中包含一个SEL和IMP，实际上相当于在SEL和IMP之间作了一个映射。有了SEL，我们便可以找到对应的IMP，从而调用方法的实现代码。

4.2 消息发送

4.2.1 发送流程

在Objective-C中，消息直到运行时才会绑定到方法的实现上。如当执行"[receiver message]"语句时，会被转换为"objc_msgSend(receiver, selector)"语句。而objc_msgSend函数在runtime的声明为：

id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)

self参数：指向对象实例的地址；

op参数：为方法名的转换标识；

后续参数：方法的参数。

objc_msgSend函数通过receiver实例和selector标识符就能找到相应方法的实现（IMP），从而调用对象的方法。这个搜索对象方法实现的过程就是搜索selector标识符的过程，如图 41所示。

1) 首先，从当前receiver实例中，获取isa指针，并获取objc_class结构体对象。

2) 接着，从objc_class对象的cache methodLists查找是否有selector。

3) 若无，从objc_class对象的methodLists查找是否有selector。

4) 若无，从objc_class对象的super_class指针所指向的父类中，继续查找。

5) 以此类推，直至找到，则调用objc_method结构体的method_imp成员，即调用方法的实现。

6) 最后再找不到，就会进入动态方法解析和消息转发的机制。

图 41 Messaging Framework

4.3 消息转发

当一个对象能接收一个消息时，就会走正常的方法调用流程。但如果一个对象接收到无法处理的消息时，它会按序调用该对象的如下方法：

1) resolveInstanceMethod 或 resolveClassMethod

2) forwardingTargetForSelector

3) forwardInvocation

若上述方法中，仍无法处理消息，那么将抛出一个异常错误，如下所示：

*** Terminating app due to uncaught exception 'NSInvalidArgumentException', reason: '-[MyClass report]: unrecognized selector sent to instance 0x7ff3134a81c0'

图 42 消息的处理流程

4.3.1 动态方法解析

若对象接收到未知的消息时，首先会调用所属类的类方法+resolveInstanceMethod:(实例方法)或者+resolveClassMethod:(类方法)，从两个方法中查找是否存在所接收的消息，若返回YES表示存在，系统会再次向该对象发送消息。

可以在上述两方法中调用class_addMethod函数，向某个类动态添加新方法和实现，其声明为：

BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)

cls参数：为添加到某类。

name参数：响应消息的名字，即name=@selector(methodName)。

imp参数：为方法的实现地址，即函数的地址。被添加方法至少要有两个参数，参数类型为id和SEL。

types参数：是一个字符串数组，描述所添加的方法的返回值类型、参数列表的数值类型，

注意：

当resolveInstanceMethod或resolveClassMethod方法返回YES后，系统会再次发送消息，若此时仍无法响应消息，将抛出异常错误。

如下是重载某类的resolveInstanceMethod方法，类实现动态添加方法，也可以参考2.4.1动态创建类和对象例子。

1 void dynamicMethodIMP(id self, SEL _cmd) {    //被添加的方法
2     // implementation ....
3 }
4 @implementation MyClass
5 + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)aSEL
6 {
7     if (aSEL == @selector(resolveThisMethodDynamically)) {
8           class_addMethod([self class], aSEL, (IMP) dynamicMethodIMP, "v@:");
9           return YES;  //表示找到，让其重新调用。
10     }
11     return [super resolveInstanceMethod:aSEL];  //若找不到，则往父类中查找是否存在aSEL消息的响应方法
12 }
13 @end

4.3.2 备用接收者

如果上述resolveInstanceMethod或resolveClassMethod方法返回NO后，则Runtime会继续调以下方法：

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector

如果一个对象实现了这个方法，并返回一个非nil的结果，则这个返回的对象会作为消息的新接收者，且消息会被分发到这个对象。当然这个对象不能是self自身，否则就是出现无限循环。当然，如果我们没有指定相应的对象来处理aSelector，则应该调用父类的实现来返回结果。

4.3.3 完整消息转发

如果上述forwardingTargetForSelector返回nil，则Runtime会继续调以下方法：

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation

forwardInvocation:方法的实现有两个任务：

1) 定位可以响应封装在anInvocation中的消息的对象。这个对象不需要能处理所有未知消息。

2) 使用anInvocation作为参数，将消息发送到选中的对象。anInvocation将会保留调用结果，运行时系统会提取这一结果并将其发送到消息的原始发送者。

还有一个很重要的问题，我们必须重写以下方法：

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector