Category是我们在开发中经常用到的，它可以在我们不改变原有类的前提下来动态地给类添加方法，通过这篇文章，我们一起来了解一下Category。
下面我们列一下本文目录，以方便了解本文的主要内容。
- Category的介绍
- Category中的数据结构
- Category的原理
- Category的使用
- Category和Extension的区别
Category的介绍
Category是Objective-C 2.0之后添加的语言特性，它可以在不改变或不继承原类的情况下，动态地给类添加方法。我们平常说的分类或者类别就是说的Category。
Category中的数据结构
Category定义的源码我们可以在runtime的源码中找到,我们先来看一下Category的定义：
///runtime.h
/// An opaque type that represents a category.
typedef struct objc_category *Category;
struct objc_category {
///Category名称
char * _Nonnull category_name OBJC2_UNAVAILABLE;
///类名
char * _Nonnull class_name OBJC2_UNAVAILABLE;
///实例方法列表
struct objc_method_list * _Nullable instance_methods OBJC2_UNAVAILABLE;
///类方法列表
struct objc_method_list * _Nullable class_methods OBJC2_UNAVAILABLE;
///协议列表
struct objc_protocol_list * _Nullable protocols OBJC2_UNAVAILABLE;
}
通过定义我们可以看到，Category是指向objc_category结构体的指针，而objc_category结构体中包含了当前Category的名称（category_name）、类名称（class_name）、实例方法列表（instance_methods）、类方法列表（class_methods）、协议列表（protocols），我们看到objc_category结构体的定义中并没有属性列表，这也就是为什么我们用Category不能给类添加实例变量的原因。
Category的原理
Category既然可以动态的给类添加方法，那么它的方法又是在什么时候添加的？把方法添加到哪里面去了呢？我们在调用Category中方法的时候又是怎样调用的呢？下面我们通过分析Category的源码来看一下它是怎样运行的。
因为我们是在runtime的源码中找到Category的源码的，那么我们猜想Category中的方法是不是在运行时添加的呢？下面我们看一下它的源码：
Category在objc-runtime-new.h中的定义是category_t结构体。在查找Category执行时后我并不知道该如何查起，所以我就在objc-runtime-new.mm搜了一下category_t，我在2703行发现这样一段代码，并有说明：
///runtime.h
// Discover categories.
for (EACH_HEADER) {
category_t **catlist =
_getObjc2CategoryList(hi, &count);
bool hasClassProperties = hi->info()->hasCategoryClassProperties();
通过注释我们知道在这发现了categories，当时我觉得这个方法应该就是，然后我就看了一下这个方法，发现这正是Category中的方法添加。在这里也给大家提供一个比较笨的方法，当我们查看源码时，只知道方法或者结构体的定义时，可以在当前的类中搜索，由于C语言的方法定义问题（方法的声明必须在调用之前，否则会因为没定义方法而报错，这里它并不像我们OC中的方法定义一样，可以在任意地方定义，在任意地方调用，C语言的方法定义必须在调用之前定义好，否则会提示方法没有定义而报错），我们都可以很容易的在当前文件中找到，而且源码中的注释写的也很明白。下面我们分析一下这段代码：
///runtime.h
// Discover categories.
for (EACH_HEADER) {
category_t **catlist =
_getObjc2CategoryList(hi, &count);
bool hasClassProperties = hi->info()->hasCategoryClassProperties();
for (i = 0; i < count; i++) {
category_t *cat = catlist[i];
Class cls = remapClass(cat->cls);
if (!cls) {
// Category's target class is missing (probably weak-linked).
// Disavow any knowledge of this category.
catlist[i] = nil;
if (PrintConnecting) {
_objc_inform("CLASS: IGNORING category \?\?\?(%s) %p with "
"missing weak-linked target class",
cat->name, cat);
}
continue;
}
// Process this category.
// First, register the category with its target class.
// Then, rebuild the class's method lists (etc) if
// the class is realized.
bool classExists = NO;
if (cat->instanceMethods || cat->protocols
|| cat->instanceProperties)
{
addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);
if (cls->isRealized()) {
remethodizeClass(cls);
classExists = YES;
}
if (PrintConnecting) {
_objc_inform("CLASS: found category -%s(%s) %s",
cls->nameForLogging(), cat->name,
classExists ? "on existing class" : "");
}
}
if (cat->classMethods || cat->protocols
|| (hasClassProperties && cat->_classProperties))
{
addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi);
if (cls->ISA()->isRealized()) {
remethodizeClass(cls->ISA());
}
if (PrintConnecting) {
_objc_inform("CLASS: found category +%s(%s)",
cls->nameForLogging(), cat->name);
}
}
}
}
首先我们看到的是一个for循环，而for循环的单次表达式、表达式和末尾循环体是一个EACH_HEADER宏，我们找到该宏的定义:
#define EACH_HEADER \
hIndex = 0; \
hIndex < hCount && (hi = hList[hIndex]); \
hIndex++
这里hCount和hList都是调用_read_images该方法时传过来的参数，hi是名称为header_info结构体，通过定义我们大约可以猜测出来，这是在遍历类的头文件，而hi中就是类的头文件的信息。然后我们通过_getObjc2CategoryList方法获取到hi的category_t列表（里面包含了当前类的所有category_t）和长度。
category_t **catlist =
_getObjc2CategoryList(hi, &count);
拿到列表和长度后下面又是通过for循环来进行遍历,获取到每一个category_t，并且根据category_t的cls指针来获取到对应的类:
category_t *cat = catlist[i];
Class cls = remapClass(cat->cls);
获取到category_t和对应的类后，通过addUnattachedCategoryForClass方法将Category和类先关联起来（这里只是关联起来，并没有做其他的操作），下面通过remethodizeClass方法来整理相应的类：
static void remethodizeClass(Class cls)
{
category_list *cats;
bool isMeta;
runtimeLock.assertLocked();
isMeta = cls->isMetaClass();
// Re-methodizing: check for more categories
if ((cats = unattachedCategoriesForClass(cls, false/*not realizing*/))) {
if (PrintConnecting) {
_objc_inform("CLASS: attaching categories to class '%s' %s",
cls->nameForLogging(), isMeta ? "(meta)" : "");
}
attachCategories(cls, cats, true /*flush caches*/);
free(cats);
}
}
在remethodizeClass方法中，我们看见通过unattachedCategoriesForClass方法将刚才关联的类的Category获取到，获取到category_list类型的列表后（category_list类型的列表包含了当前类所有的Category），执行了attachCategories方法整理类的方法、属性和协议列表：
// Attach method lists and properties and protocols from categories to a class.
// Assumes the categories in cats are all loaded and sorted by load order,
// oldest categories first.
static void
attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches)
{
if (!cats) return;
if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats);
bool isMeta = cls->isMetaClass();
// fixme rearrange to remove these intermediate allocations
method_list_t **mlists = (method_list_t **)
malloc(cats->count * sizeof(*mlists));
property_list_t **proplists = (property_list_t **)
malloc(cats->count * sizeof(*proplists));
protocol_list_t **protolists = (protocol_list_t **)
malloc(cats->count * sizeof(*protolists));
// Count backwards through cats to get newest categories first
int mcount = 0;
int propcount = 0;
int protocount = 0;
int i = cats->count;
bool fromBundle = NO;
while (i--) {
auto& entry = cats->list[i];
method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
if (mlist) {
mlists[mcount++] = mlist;
fromBundle |= entry.hi->isBundle();
}
property_list_t *proplist =
entry.cat->propertiesForMeta(isMeta, entry.hi);
if (proplist) {
proplists[propcount++] = proplist;
}
protocol_list_t *protolist = entry.cat->protocols;
if (protolist) {
protolists[protocount++] = protolist;
}
}
auto rw = cls->data();
prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle);
rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
free(mlists);
if (flush_caches && mcount > 0) flushCaches(cls);
rw->properties.attachLists(proplists, propcount);
free(proplists);
rw->protocols.attachLists(protolists, protocount);
free(protolists);
}
执行attachCategories首先执行下列代码重新分配分类的内存：
method_list_t **mlists = (method_list_t **)
malloc(cats->count * sizeof(*mlists));
property_list_t **proplists = (property_list_t **)
malloc(cats->count * sizeof(*proplists));
protocol_list_t **protolists = (protocol_list_t **)
malloc(cats->count * sizeof(*protolists));
分配完内存地址后就开始遍历所有的分类，将每一个分类的方法、属性和协议添加到对应的mlists、proplists和protolists中。添加完成后通过data()方法来拿到类对象的class_rw_t结构体类型的rw，之后通过调用rw中的方法列表、属性列表和协议列表的attachLists函数，将所有分类的方法、属性和协议列表数组添加进去。
下面我们来看一下attachLists中做了什么：
void attachLists(List* const * addedLists, uint32_t addedCount) {
if (addedCount == 0) return;
if (hasArray()) {
// many lists -> many lists
uint32_t oldCount = array()->count;
uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
setArray((array_t *)realloc(array(), array_t::byteSize(newCount)));
array()->count = newCount;
memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists,
oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
memcpy(array()->lists, addedLists,
addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
}
else if (!list && addedCount == 1) {
// 0 lists -> 1 list
list = addedLists[0];
}
else {
// 1 list -> many lists
List* oldList = list;
uint32_t oldCount = oldList ? 1 : 0;
uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
setArray((array_t *)malloc(array_t::byteSize(newCount)));
array()->count = newCount;
if (oldList) array()->lists[addedCount] = oldList;
memcpy(array()->lists, addedLists,
addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
}
}
addLists：调用方法时传过来的，也就是要添加的分类的方法或属性列表
array()->lists：类中原有的方法或属性列表
下面我们看一下方法中的两个函数：memmove和memcpy：
这两函数都是C语言中的函数库，作用都是拷贝一定长度的内存内容，其长度由第三参数决定，他们两个唯一的区别是：当内存发生局部重叠时，memmove能够保证拷贝结果的正确行，而memcpy不能保证拷贝结果是正确的（在这里这两个方法就不多介绍了有兴趣的同学可以参考一下这里，关于memmove 和 memcpy的区别）。
通过上面两个方法我们就把Category里面的方法放到了类中原方法的前面，所以当我们调用的时候会优先调用Category中的方法。（注：有些人说Category里面的方法把类中原有的方法覆盖了，其实这是错误的。Category中的方法并没有覆盖类中原有的方法，只是Category中的方法在类中原有的方法前面，当Runtime通过方法名查找的时候找到第一个方法就去执行了它的实现，并没有继续往下查找，关于方法的执行可以参考这里）。我们可以通过以下代码来调用类中原来的方法：
///Cat为自己创建的类，在类中声明一个sleep方法，创建一个cat的Category，声明并实现sleep方法
Class currentClass = [Cat class];
Cat *cat = [[Cat alloc] init];
[cat sleep];
if (currentClass) {
unsigned int methodCount;
Method *methodList = class_copyMethodList(currentClass, &methodCount);
IMP lastImp = NULL;
SEL lastSel = NULL;
for (NSInteger i = 0; i < methodCount; i++) {
Method method = methodList[i];
NSString *methodName = [NSString stringWithCString:sel_getName(method_getName(method))
encoding:NSUTF8StringEncoding];
if ([@"sleep" isEqualToString:methodName]) {
lastImp = method_getImplementation(method);
lastSel = method_getName(method);
}
}
typedef void (*fn)(id,SEL);
if (lastImp != NULL) {
fn f = (fn)lastImp;
f(cat,lastSel);
}
free(methodList);
}
以上就是Category的实现原理。通过这些我们也就了解了一些，Category中的属性、方法、协议是在运行时被添加到了类的属性列表、方法列表、协议列表中，既然它里面的方法是被添加到了类的方法列表中，那么它里面方法的调用和类中方法的调用是一样的。
Category的使用
- 添加方法
- 声明私有方法
- 分解体积庞大的类文件
以上是Apple推荐的使用方法，当然还有一些人开发出了其他的用法，比如：模拟多继承、把framework私有方法公开，感兴趣的朋友可以去了解一下。
Category和Extension的区别
- Category中原则上只能增加方法，不能增加属性（通过Runtime也可以实现）；Extension既可以增加方法，还可以增加实例变量（该实例变量和方法默认是私有的，只能在本类中调用）
- Category中的方法是在运行时决议的，没有实现也可以运行，而Extension中的方法是在编译器检查的，没有实现会报错
- Category可以给任意类添加方法，而Extension的添加必须有这个类的源码，对于一些系统类，如NSString类是无法添加Extension的，但是可以添加Category。
结束
以上就是有关Category的原理和使用，Category还是基于在Runtime上实现的，如果没有Runtime的支持Category就不能够实现。Category在我们开发中的使用还是很多的，大家可以通过源码去学习研究。
文章若有不足之处还请不吝赐教，大家互相学习。如果您觉得我的文章有用，点一下喜欢就可以了哦。
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