Runtime的理解与实践
Runtime是什么?见名知意,其概念无非就是“因为 Objective-C 是一门动态语言,所以它需要一个运行时系统……这就是 Runtime 系统”云云。对博主这种菜鸟而言,Runtime 在实际开发中,其实就是一组C语言的函数。胡适说:“多研究些问题,少谈些主义”,云山雾罩的概念听多了总是容易头晕,接下来我们直接从代码入手学习 Runtime。
1、由objc_msgSend说开去
Objective-C 中的方法调用,不是简单的方法调用,而是发送消息,也就是说,其实 [receiver message] 会被编译器转化为: objc_msgSend(receiver, selector),何以证明?新建一个类 MyClass,其.m文件如下:
#import "MyClass.h" @implementation MyClass -(instancetype)init{ if (self = [super init]) { [self showUserName]; } return self; } -(void)showUserName{ NSLog(@"Dave Ping"); }
使用 clang 重写命令:
$ clang -rewrite-objc MyClass.m
然后在同一目录下会多出一个 MyClass.cpp 文件,双击打开,可以看到 init 方法已经被编译器转化为下面这样:
static instancetype _I_MyClass_init(MyClass * self, SEL _cmd) { if (self = ((MyClass *(*)(__rw_objc_super *, SEL))(void *)objc_msgSendSuper)((__rw_objc_super){(id)self, (id)class_getSuperclass(objc_getClass("MyClass"))}, sel_registerName("init"))) { ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("showUserName")); } return self; }
我们要找的就是它:
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("showUserName"))
objc_msgSend 函数被定义在 objc/message.h 目录下,其函数原型是酱紫滴:
OBJC_EXPORT void objc_msgSend(void /* id self, SEL op, ... */ )
该函数有两个参数,一个 id 类型,一个 SEL 类型。
2、SEL
SEL 被定义在 objc/objc.h 目录下:
typedef struct objc_selector *SEL;
其实它就是个映射到方法的C字符串,你可以用 Objective-C 编译器命令 @selector() 或者 Runtime 系统的 sel_registerName 函数来获得一个 SEL 类型的方法选择器。
3、id
与 SEL 一样,id 也被定义在 objc/objc.h 目录下:
typedef struct objc_object *id;
id 是一个结构体指针类型,它可以指向 Objective-C 中的任何对象。objc_object 结构体定义如下:
struct objc_object { Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;};
我们通常所说的对象,就长这个样子,这个结构体只有一个成员变量 isa,对象可以通过 isa 指针找到其所属的类。isa 是一个 Class 类型的成员变量,那么 Class 又是什么呢?
4、Class
Class 也是一个结构体指针类型:
typedef struct objc_class *Class;
objc_class 结构体是酱紫滴:
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;
我们通常说的类就长这样子:
-
·Class 也有一个 isa 指针,指向其所属的元类(meta)。
-
·super_class:指向其超类。
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·name:是类名。
-
·version:是类的版本信息。
-
·info:是类的详情。
-
·instance_size:是该类的实例对象的大小。
-
·ivars:指向该类的成员变量列表。
-
·methodLists:指向该类的实例方法列表,它将方法选择器和方法实现地址联系起来。methodLists 是指向 ·objc_method_list 指针的指针,也就是说可以动态修改 *methodLists 的值来添加成员方法,这也是 Category 实现的原理,同样解释了 Category 不能添加属性的原因。
-
·cache:Runtime 系统会把被调用的方法存到 cache 中(理论上讲一个方法如果被调用,那么它有可能今后还会被调用),下次查找的时候效率更高。
-
·protocols:指向该类的协议列表。
说到这里有点乱了,我们来捋一下,当我们调用一个方法时,其运行过程大致如下:
首先,Runtime 系统会把方法调用转化为消息发送,即 objc_msgSend,并且把方法的调用者,和方法选择器,当做参数传递过去.
此时,方法的调用者会通过 isa 指针来找到其所属的类,然后在 cache 或者 methodLists 中查找该方法,找得到就跳到对应的方法去执行。
如果在类中没有找到该方法,则通过 super_class 往上一级超类查找(如果一直找到 NSObject 都没有找到该方法的话,这种情况,我们放到后面消息转发的时候再说)。
前面我们说 methodLists 指向该类的实例方法列表,实例方法即-方法,那么类方法(+方法)存储在哪儿呢?类方法被存储在元类中,Class 通过 isa 指针即可找到其所属的元类。
上图实线是 super_class 指针,虚线是 isa 指针。根元类的超类是NSObject,而 isa 指向了自己。NSObject 的超类为 nil,也就是它没有超类。
5、使用objc_msgSend
前面我们使用 clang 重写命令,看到 Runtime 是如何将方法调用转化为消息发送的。我们也可以依样画葫芦,来学习使用一下 objc_msgSend。新建一个类 TestClass,添加如下方法:
-(void)showAge{ NSLog(@"24"); } -(void)showName:(NSString *)aName{ NSLog(@"name is %@",aName); } -(void)showSizeWithWidth:(float)aWidth andHeight:(float)aHeight{ NSLog(@"size is %.2f * %.2f",aWidth, aHeight); } -(float)getHeight{ return 187.5f; } -(NSString *)getInfo{ return @"Hi, my name is Dave Ping, I'm twenty-four years old in the year, I like apple, nice to meet you."; }
我们可以像下面这样,使用 objc_msgSend 依次调用这些方法:
TestClass *objct = [[TestClass alloc] init]; ((void (*) (id, SEL)) objc_msgSend) (objct, sel_registerName("showAge")); ((void (*) (id, SEL, NSString *)) objc_msgSend) (objct, sel_registerName("showName:"), @"Dave Ping"); ((void (*) (id, SEL, float, float)) objc_msgSend) (objct, sel_registerName("showSizeWithWidth:andHeight:"), 110.5f, 200.0f); float f = ((float (*) (id, SEL)) objc_msgSend_fpret) (objct, sel_registerName("getHeight")); NSLog(@"height is %.2f",f); NSString *info = ((NSString* (*) (id, SEL)) objc_msgSend) (objct, sel_registerName("getInfo")); NSLog(@"%@",info);
也许你已经注意到,objc_msgSend 在使用时都被强制转换了一下,这是因为 objc_msgSend 函数可以hold住各种不同的返回值以及多个参数,但默认情况下是没有参数和返回值的。如果我们把调用 showAge 方法改成这样:
objc_msgSend(objct, sel_registerName("showAge"));
Xcode 就会报错:
Too many arguments to function call, expected 0, have 2.
完整的 objc_msgSend 使用代码在这里。
6、objc_msgSendSuper
编译器会根据情况在 objc_msgSend,objc_msgSend_stret,objc_msgSendSuper,objc_msgSendSuper_stret 或 objc_msgSend_fpret 五个方法中选择一个来调用。如果消息是传递给超类,那么会调用 objc_msgSendSuper 方法,如果消息返回值是数据结构,就会调用 objc_msgSendSuper_stret 方法,如果返回值是浮点数,则调用 objc_msgSend_fpret 方法。
这里我们重点说一下 objc_msgSendSuper,objc_msgSendSuper 函数原型如下:
OBJC_EXPORT void objc_msgSendSuper(void /* struct objc_super *super, SEL op, ... */ )
当我们调用 [super selector] 时,Runtime 会调用 objc_msgSendSuper 方法,objc_msgSendSuper 方法有两个参数,super 和 op,Runtime 会把 selector 方法选择器赋值给 op。而 super 是一个 objc_super 结构体指针,objc_super 结构体定义如下:
struct objc_super { /// Specifies an instance of a class. __unsafe_unretained id receiver; /// Specifies the particular superclass of the instance to message. #if !defined(__cplusplus) && !__OBJC2__ /* For compatibility with old objc-runtime.h header */ __unsafe_unretained Class class; #else __unsafe_unretained Class super_class; #endif /* super_class is the first class to search */ };
Runtime 会创建一个 objc_spuer 结构体变量,将其地址作为参数(super)传递给 objc_msgSendSuper,并且将 self 赋值给 receiver:super—>receiver=self。
举个栗子,问下面的代码输出什么:
@implementation Son : Father - (id)init { self = [super init]; if (self) { NSLog(@"%@", NSStringFromClass([self class])); NSLog(@"%@", NSStringFromClass([super class])); } return self; } @end
答案是全部输出 Son。
使用 clang 重写命令,发现上述代码被转化为:
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_gm_0jk35cwn1d3326x0061qym280000gn_T_main_a5cecc_mi_0, NSStringFromClass(((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("class")))); NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_gm_0jk35cwn1d3326x0061qym280000gn_T_main_a5cecc_mi_1, NSStringFromClass(((Class (*)(__rw_objc_super *, SEL))(void *)objc_msgSendSuper)((__rw_objc_super){ (id)self, (id)class_getSuperclass(objc_getClass("Son")) }, sel_registerName("class"))));
当调用 [super class] 时,会转换成 objc_msgSendSuper 函数:
-
第一步先构造 objc_super 结构体,结构体第一个成员就是 self。第二个成员是 (id)class_getSuperclass(objc_getClass(“Son”)).
-
第二步是去 Father 这个类里去找 - (Class)class,没有,然后去 NSObject 类去找,找到了。最后内部是使用 objc_msgSend(objc_super->receiver, @selector(class)) 去调用,此时已经和 [self class] 调用相同了,所以两个输出结果都是 Son。
7、对象关联
对象关联允许开发者对已经存在的类在 Category 中添加自定义的属性:
OBJC_EXPORT void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy) __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_1);
·object 是源对象
·value 是被关联的对象
·key 是关联的键,objc_getAssociatedObject 方法通过不同的 key 即可取出对应的被关联对象
·policy 是一个枚举值,表示关联对象的行为,从命名就能看出各个枚举值的含义:
typedef OBJC_ENUM(uintptr_t, objc_AssociationPolicy) { OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN = 0, /**< Specifies a weak reference to the associated object. */ OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC = 1, /**< Specifies a strong reference to the associated object. * The association is not made atomically. */ OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC = 3, /**< Specifies that the associated object is copied. * The association is not made atomically. */ OBJC_ASSOCIATION_RETAIN = 01401, /**< Specifies a strong reference to the associated object. * The association is made atomically. */ OBJC_ASSOCIATION_COPY = 01403 /**< Specifies that the associated object is copied. * The association is made atomically. */ };
要取出被关联的对象使用 objc_getAssociatedObject 方法即可,要删除一个被关联的对象,使用 objc_setAssociatedObject 方法将对应的 key 设置成 nil 即可:
objc_setAssociatedObject(self, associatedKey, nil, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
objc_removeAssociatedObjects 方法将会移除源对象中所有的关联对象.
举个栗子,假如我们要给 UIButton 添加一个监听单击事件的 block 属性,新建 UIButton 的 Category,其.m文件如下:
#import "UIButton+ClickBlock.h" #import static const void *associatedKey = "associatedKey"; @implementation UIButton (ClickBlock) //Category中的属性,只会生成setter和getter方法,不会生成成员变量 -(void)setClick:(clickBlock)click{ objc_setAssociatedObject(self, associatedKey, click, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC); [self removeTarget:self action:@selector(buttonClick) forControlEvents:UIControlEventTouchUpInside]; if (click) { [self addTarget:self action:@selector(buttonClick) forControlEvents:UIControlEventTouchUpInside]; } } -(clickBlock)click{ return objc_getAssociatedObject(self, associatedKey); } -(void)buttonClick{ if (self.click) { self.click(); } } @end
然后在代码中,就可以使用 UIButton 的属性来监听单击事件了:
UIButton *button = [UIButton buttonWithType:UIButtonTypeCustom]; button.frame = self.view.bounds; [self.view addSubview:button]; button.click = ^{ NSLog(@"buttonClicked"); };
完整的对象关联代码点这里。
8、自动归档
博主在学习 Runtime 之前,归档的时候是酱紫写的:
- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder{ [aCoder encodeObject:self.name forKey:@"name"]; [aCoder encodeObject:self.ID forKey:@"ID"]; } - (id)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder{ if (self = [super init]) { self.ID = [aDecoder decodeObjectForKey:@"ID"]; self.name = [aDecoder decodeObjectForKey:@"name"]; } return self; }
那么问题来了,如果当前 Model 有100个属性的话,就需要写100行这种代码:
[aCoder encodeObject:self.name forKey:@"name"];
想想都头疼,通过 Runtime 我们就可以轻松解决这个问题:
1.使用 class_copyIvarList 方法获取当前 Model 的所有成员变量.
2.使用 ivar_getName 方法获取成员变量的名称.
3.通过 KVC 来读取 Model 的属性值(encodeWithCoder:),以及给 Model 的属性赋值(initWithCoder:).
举个栗子,新建一个 Model 类,其.m文件如下:
#import "TestModel.h" #import #import @implementation TestModel - (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder{ unsigned int outCount = 0; Ivar *vars = class_copyIvarList([self class], &outCount); for (int i = 0; i < outCount; i ++) { Ivar var = vars[i]; const char *name = ivar_getName(var); NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name]; // 注意kvc的特性是,如果能找到key这个属性的setter方法,则调用setter方法 // 如果找不到setter方法,则查找成员变量key或者成员变量_key,并且为其赋值 // 所以这里不需要再另外处理成员变量名称的“_”前缀 id value = [self valueForKey:key]; [aCoder encodeObject:value forKey:key]; } } - (nullable instancetype)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder{ if (self = [super init]) { unsigned int outCount = 0; Ivar *vars = class_copyIvarList([self class], &outCount); for (int i = 0; i < outCount; i ++) { Ivar var = vars[i]; const char *name = ivar_getName(var); NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name]; id value = [aDecoder decodeObjectForKey:key]; [self setValue:value forKey:key]; } } return self; } @end
完整的自动归档代码在这里。
9、字典与模型互转
最开始博主是这样用字典给 Model 赋值的:
-(instancetype)initWithDictionary:(NSDictionary *)dict{ if (self = [super init]) { self.age = dict[@"age"]; self.name = dict[@"name"]; } return self; }
可想而知,遇到的问题跟归档时候一样(后来使用MJExtension),这里我们稍微来学习一下其中原理,字典转模型的时候:
1.根据字典的 key 生成 setter 方法
2.使用 objc_msgSend 调用 setter 方法为 Model 的属性赋值(或者 KVC)
模型转字典的时候:
1.调用 class_copyPropertyList 方法获取当前 Model 的所有属性
2.调用 property_getName 获取属性名称
3.根据属性名称生成 getter 方法
4.使用 objc_msgSend 调用 getter 方法获取属性值(或者 KVC)
代码如下:
#import "NSObject+KeyValues.h" #import #import @implementation NSObject (KeyValues) //字典转模型 +(id)objectWithKeyValues:(NSDictionary *)aDictionary{ id objc = [[self alloc] init]; for (NSString *key in aDictionary.allKeys) { id value = aDictionary[key]; /*判断当前属性是不是Model*/ objc_property_t property = class_getProperty(self, key.UTF8String); unsigned int outCount = 0; objc_property_attribute_t *attributeList = property_copyAttributeList(property, &outCount); objc_property_attribute_t attribute = attributeList[0]; NSString *typeString = [NSString stringWithUTF8String:attribute.value]; if ([typeString isEqualToString:@"@\"TestModel\""]) { value = [self objectWithKeyValues:value]; } /**********************/ //生成setter方法,并用objc_msgSend调用 NSString *methodName = [NSString stringWithFormat:@"set%@%@:",[key substringToIndex:1].uppercaseString,[key substringFromIndex:1]]; SEL setter = sel_registerName(methodName.UTF8String); if ([objc respondsToSelector:setter]) { ((void (*) (id,SEL,id)) objc_msgSend) (objc,setter,value); } } return objc; } //模型转字典 -(NSDictionary *)keyValuesWithObject{ unsigned int outCount = 0; objc_property_t *propertyList = class_copyPropertyList([self class], &outCount); NSMutableDictionary *dict = [NSMutableDictionary dictionary]; for (int i = 0; i < outCount; i ++) { objc_property_t property = propertyList[i]; //生成getter方法,并用objc_msgSend调用 const char *propertyName = property_getName(property); SEL getter = sel_registerName(propertyName); if ([self respondsToSelector:getter]) { id value = ((id (*) (id,SEL)) objc_msgSend) (self,getter); /*判断当前属性是不是Model*/ if ([value isKindOfClass:[self class]] && value) { value = [value keyValuesWithObject]; } /**********************/ if (value) { NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:propertyName]; [dict setObject:value forKey:key]; } } } return dict; } @end
完整代码在这里。
10、动态方法解析
前面我们留下了一点东西没说,那就是如果某个对象调用了不存在的方法时会怎么样,一般情况下程序会crash,错误信息类似下面这样:
unrecognized selector sent to instance 0x7fd0a141afd0
但是在程序crash之前,Runtime 会给我们动态方法解析的机会,消息发送的步骤大致如下:
1.检测这个 selector 是不是要忽略的。比如 Mac OS X 开发,有了垃圾回收就不理会 retain,release 这些函数了
2.检测这个 target 是不是 nil 对象。ObjC 的特性是允许对一个 nil 对象执行任何一个方法不会 Crash,因为会被忽略掉
3.如果上面两个都过了,那就开始查找这个类的 IMP,先从 cache 里面找,完了找得到就跳到对应的函数去执行
如果 cache 找不到就找一下方法分发表
4.如果分发表找不到就到超类的分发表去找,一直找,直到找到NSObject类为止
如果还找不到就要开始进入消息转发了,消息转发的大致过程如图:
1.进入 resolveInstanceMethod: 方法,指定是否动态添加方法。若返回NO,则进入下一步,若返回YES,则通过 class_addMethod 函数动态地添加方法,消息得到处理,此流程完毕。
2.resolveInstanceMethod: 方法返回 NO 时,就会进入 forwardingTargetForSelector: 方法,这是 Runtime 给我们的第二次机会,用于指定哪个对象响应这个 selector。返回nil,进入下一步,返回某个对象,则会调用该对象的方法。
3.若 forwardingTargetForSelector: 返回的是nil,则我们首先要通过 methodSignatureForSelector: 来指定方法签名,返回nil,表示不处理,若返回方法签名,则会进入下一步。
4.当第 methodSignatureForSelector: 方法返回方法签名后,就会调用 forwardInvocation: 方法,我们可以通过 anInvocation 对象做很多处理,比如修改实现方法,修改响应对象等。
如果到最后,消息还是没有得到响应,程序就会crash,详细代码在这里。