Runtime 运行时，是一套底层的 C 语言 API，其为 iOS 内部的核心之一，我们平时编写的 OC 代码，底层都是基于它来实现的。例如：[self description];运行时会被转化为objc_msgSend(self,@selector(description));

我们需要了解的是 Objective-C 是一门动态语言，它会将一些工作放在代码运行时才处理而并非编译时。也就是说，有很多类和成员变量在我们编译的时候是不知道的。而在运行时，我们所编写的代码会转换成完整的确定的代码运行。因此，仅仅编译器是不够的，我们还需要一个运行时系统(Runtime system)来处理编译后的代码，以此来实现类各方面的动态配置以及消息传递。

这里先给大家附上官方API：Objective-C Runtime

与Runtime交互

Objective-C程序有有三种与runtime系统交互的级别：

• 通过Objective-C源代码
• 通过Foundation框架的NSObject类中提供的方法
• 直接调用runtime库函数

通过Objective-C源代码

当编译包含Objective-C类和方法的代码时，编译器会创建实现了语言动态特性的数据结构和函数调用。该数据结构捕获在类、扩展和协议中所定义的信息。因此，我们通过写好源代码，编译器会自动帮助我们编译成runtime代码。

通过Foundation框架的NSObject类中提供的方法

Cocoa 程序中绝大部分类都是 NSObject 类的子类，所以都继承了 NSObject 的行为。(NSProxy 类时个例外，它是个抽象超类)
一些 NSObject 的方法可以从 Runtime 系统中获取信息，允许对象进行自我检查。例如：

• - (Class)class:返回对象的类
• - (BOOL)isKindOfClass:(Class)aClass和- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)aClass:检查对象是否存在于指定的类的继承体系中(是否是其子类或者父类或者当前类的成员变量)
• - (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector:检查对象能否响应指定的消息
• + (BOOL)conformsToProtocol:(Protocol *)protocol:检查是否实现了在指定协议中声明的方法
• - (IMP)methodForSelector:(SEL)aSelector:返回指定方法实现的地址

直接调用runtime库函数

runtime库函数在usr/include/objc目录下，我们主要关注是这两个头文件：

#import <objc/runtime.h>
#import <objc/message.h>

Runtime术语的数据结构

id

id 是一个参数类型，它是指向某个类的实例的指针。定义如下：

typedef struct objc_object *id;
struct objc_object { Class isa; };

以上定义，看到 objc_object 结构体包含一个 isa 指针。实例对象的isa指向类，类存储实例对象的方法列表（即减号方法），类的isa指向元类，元类存储类的方法列表（即加号方法）。所以isa 指针在代码运行时并不总指向实例对象所属的类型，不能依靠它来确定类型，要想确定类型还是需要用对象的 - (Class)class 方法。

SEL

它是selector在 Objc 中的表示(Swift 中是 Selector 类)。selector 是方法选择器，根据方法的名称以及isa和super_class能够找到可执行的方法实现，可以通过 Objc 编译器命令@selector()或者 Runtime 系统的 sel_registerName(const char *str) 函数来获取一个 SEL 类型的方法选择器。它的数据结构是：

typedef struct objc_selector *SEL;

//获取SEL的函数名字符串
NSString *NSStringFromSelector(SEL aSelector);
//根据函数名获取SEL
SEL NSSelectorFromString(NSString *aSelectorName);

Objc 在同一个类中方法命名不允许相同，不同类中相同名字的方法所对应的 selector 是相同的，但是由于调用者不同，所以不会导致它们的方法实现调用混乱。

IMP

它是一个函数指针，由编译器生成，指向了这个方法的实现。

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

Method

Method 是指向objc_method结构体的指针。objc_method的数据结构如下：

typedef struct objc_method *Method;
//方法的结构体存储了方法名，方法类型和方法实现
struct objc_method {
  SEL method_name;
  char *method_types;//方法类型 method_types 是个 char 指针，存储方法的参数类型和返回值类型
  IMP method_imp;//method_imp 指向了方法的实现，本质是一个函数指针
}   

Cache

Cache 定义如下：

typedef struct objc_cache *Cache

struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */                 
    unsigned int occupied                                    
    Method buckets[1]                                        
};

Runtime 系统会把被调用的方法存到 Cache 中，每当实例对象接收到一个消息时，它不会直接在 isa 指针指向的类的方法列表中遍历查找能够响应的方法，而是优先在 Cache 中查找，以此来提升效率。

Class

Class 其实是指向 objc_class 结构体的指针。objc_class 的数据结构如下：

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class {
    Class isa;//指针，指向元类（metaClass）
#if !__OBJC2__
    Class super_class;  //指向父类
    const char *name;  //类名
    long version;
    long info;
    long instance_size
    struct objc_ivar_list *ivars //成员变量列表
    struct objc_method_list **methodLists; //方法列表
    struct objc_cache *cache;//缓存
    //一种优化，调用过的方法存入缓存列表，下次调用先找缓存
    struct objc_protocol_list *protocols //协议列表
    #endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

// 成员变量列表
struct objc_ivar_list {
    int ivar_count                                          
#ifdef __LP64__
    int space                                                
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_ivar ivar_list[1]                            
}                                                           

// 方法列表
struct objc_method_list {
    struct objc_method_list *obsolete                        

    int method_count                                         
#ifdef __LP64__
    int space                                               
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_method method_list[1]                        
}

//获取类Class的字符串描述
NSString *NSStringFromClass(Class aClass);
//根据类的字符串描述获取类Class
Class _Nullable NSClassFromString(NSString *aClassName);

objc_ivar_list 结构体用来存储成员变量的列表，而 objc_ivar 则是存储了单个成员变量的信息；同理，objc_method_list 结构体存储着方法数组的列表，而单个方法的信息则由 objc_method 结构体存储。

我们可以动态修改 *methodLists 的值来添加方法，这也是 Category 实现的原理。

消息机制

在消息的传递中，编译器会根据情况在 objc_msgSend ， objc_msgSend_stret ， objc_msgSendSuper ， objc_msgSendSuper_stret 这四个方法中选择一个调用。如果消息是传递给父类，那么会调用名字带有 Super 的函数，如果消息返回值是数据结构而不是简单值时，会调用名字带有 stret 的函数。

这里要清楚一点，消息直到运行时才会与方法实现进行绑定，objc_msgSend 从不返回数据，而是你方法的实现在运行时被调用后才会返回数据。

下面详细叙述消息传递的步骤：

1. 检测这个 selector 的 target ，若为nil则忽略该消息（Objc 允许我们对一个 nil 对象执行任何方法不会 Crash）。
2. 根据target的isa指针找到对应的对象（实例对象对应类，类对应元类），先在对象的缓存列表中查找方法实现（IMP），如果没有，再从对象的方法列表中查找。
3. 若未找到，则通过super_class指针找到父类对象，依次查找缓存列表与方法列表。
4. 循环执行3直至根类（NSObject）。如果还找不到，就进入动态方法解析。

• isa：实例对象->类->元类->（不经过父元类）根元类，根元类（即NSObject的元类）的isa指向自己
• superclass：类->父类->...->根类，元类->父元类->...->根元类->根类,根类（即NSObject）的superclass指向nil