Runtime底层学习

Objective-C作为一门高级编程语言，想要成为可执行文件需要先编译成汇编语言，在汇编成机器语言，机器语言也是计算机能识别的唯一语言。但是Objective-C并不能直接编译成汇编语言，需要先转写为C语言在进行编译和汇编的操作。从Objective-C到C语言的过渡就是由Runtime来实现的。
Objective-C的语言特性是动态性比较强，这种动态性就是由Runtime API来支撑的。想要了解Runtime的原理，首先需要知道OC语言的isa、Cache缓存、class_rw_t。

isa详解

要想学习Runtime，首先要了解它底层的一些常用的数据结构，比如isa指针。
在arm64架构之前，isa就是一个普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址。
从arm64架构开始，对isa进行了优化，变成了一个共用体（union）结构，还使用位域来存储更多的信息。共用体如下

union isa_t 
{
    Class cls;
    uintptr_t bits;
    struct {
        uintptr_t nonpointer        : 1;
        uintptr_t has_assoc         : 1;
        uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
        uintptr_t shiftcls          : 33; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000
        uintptr_t magic             : 6;
        uintptr_t weakly_referenced : 1;
        uintptr_t deallocating      : 1;
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
        uintptr_t extra_rc          : 19;
    };

我们来看一段代码

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface Person : NSObject
@property (nonatomic,  assign, getter=isTall) BOOL tall;
@property (nonatomic,  assign, getter=isRich) BOOL rich;
@property (nonatomic,  assign, getter=isHandsome) BOOL handsome;
@end

#import "Person.h"

@implementation Person

@end

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Person.h"
#import <objc/runtime.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person = [[Person alloc] init];
        person.rich = NO;
        person.tall = YES;
        person.handsome = NO;
        NSLog(@"%zd",class_getInstanceSize([Person class]));
    }
    return 0;
}

在main.m函数中，系统给Person对象分配了16个字节的内存，其中Person的isa指针占用8个字节，三个属性占用3个字节。
既然Person的属性是BOOL类型，可以考虑使用共用体。

共用体：共用体内的成员变量共用一块内存。

则Person类的.m文件内，可以修改成如下：

#import "Person.h"

@interface Person()
{
    union{
        char bits;
        struct{
            char tall : 1;
            char rich : 1;
            char handsome  : 1;
        };
    }_tallRichHandsome;
}
@end

@implementation Person

- (void)setTall:(BOOL)tall{
    _tallRichHandsome.bits = tall;
}
- (BOOL)isTall{
    return !!(_tallRichHandsome.bits );
}

- (void)setRich:(BOOL)rich{
    _tallRichHandsome.bits = rich;
}
- (BOOL)isRich{
    return !!(_tallRichHandsome.bits);
}

- (void)setHandsome:(BOOL)handsome{
    _tallRichHandsome.bits = handsome;
}
- (BOOL)isHandsome{
    return !!( _tallRichHandsome.bits);
}
@end

在结构体union中

       struct{
            char tall : 1;
            char rich : 1;
            char handsome  : 1;
        };

只是为了方便阅读代码，struct内的成员变量，都存储在union的char中。所以回到开头的union isa_t中，struct是为了阅读方便，共用体union中的信息都存储在uintptr_t bits;中。

Class的结构

objc_class的结构

• class_rw_t里面的methods、properties、protocols是二维数组，是可读可写的，包含了类的初始内容、分类的内容。
  class_rw_t方法结构图
  method_array_t是一个二维数组,每一个元素是一个分类或者类的方法数组method_list_t。在method_list_t数组中包含的才是分类或者类的方法信息。
• class_ro_t里面的baseMethodList、baseProtocols、ivars、baseProperties是一维数组，是只读的，包含了类的初始内容。
  class_ro_t结构图
• method_t是对方法\函数的封装
  method_t
• IMP代表函数的具体实现
  IMP
• SEL代表方法\函数名，一般叫做选择器。底层结构跟char *类似
  可以通过@selector()和sel_registerName()获得。

方法缓存

Class内部结构中有个方法缓存(cache_t)，用散列表来缓存曾经调用的方法，可以提高方法的查找速度。

cache_t
buckets是散列表，是数组。
bucket_t

• 散列表的存储方式
  散列表的存储方式
  在上图中，当Person类中有方法- (void)personTest;
• 首先，通过@selector(personTest)&_Mask,得出一个值，比如得到2，则将这个方法personTest存储到下表为2的数组中。一般存储的位置从高到低。如果当前被存储内容，这得到数值减1，往下存储。
• 当调用这个方法时，通过@selector(personTest)&_Mask,得到同样的值，然后直接找到这个方法的地址值，直接调用。如果取值时，当前的cache_key_t不是所需要的，这得到数值减1，往下取值。
• 缺点：用空间换时间。

objc_msgSend

先来看段代码

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface Person : NSObject
- (void)personTest;
@end

#import "Person.h"

@implementation Person
- (void)personTest{

}
@end

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Person.h"

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person = [[Person alloc] init];
       [person personTest];
    }
    return 0;
}

当调用- (void)personTest;方法时，是在底层转化为C语言调用

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 
        Person *person = ((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((Person *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("personTest"));
    }
    return 0;
}

• OC中的方法调用，其实都是转化为objc_msgSend函数的调用，给receiver（方法接收者）发送了一条消息（selector方法名）;
• objc_msgSend的执行流程可以分为3大阶段:

✔️ 消息发送

• 1、判断消息接收者receiver是否为nil。如果是nil，这直接退出；
• 2、如果receiver不为nil，receiver通过isa指针找到receiverClass（接收者类对象）。从receiverClass的cache中查找方法。如果找到方法，调用方法，结束查找；
• 3、如果没有找到方法，则从reveiverClass的class_rw_t中查找方法。如果找到了方法，调用方法，结束查找，并将方法缓存到receiverClass的cache中；
• 4、如果没找到方法，从superClass的cache中查找方法，如果找到方法，调用方法，结束查找，并将方法缓存到receiverClass的cache中；
• 5、如果没有找到方法，从superClass的class_rw_t中查找方法。如果找到方法，调用方法，结束查找，并将方法缓存到receiverClass的cache中；
• 6、如果没找到方法，则判断是否还有superclass。如果有，则执行第4步。如果没找到方法，则动态方法解析。

✔️动态方法解析

• 是否曾经存在过动态方法解析，如果是，就进入消息转发阶段。
• 如果没有动态方法解析过，则调用+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel方法（实例方法调用）或者+(BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel（类方法调用）判断是否有动态绑定方法，并标记为已经动态方法解析，然后进入消息发送阶段。

✔️消息转发

• 通过动态方法解析不成功，则调用- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector方法，把这条消息转给其他接收者来处理，如果有其他接收者来处理，返回不为nil，则调用objc_msgSend(返回值,SEL)；
• 如果返回值为nil，则调用- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector方法，生成方法签名，然后系统用这个方法签名生成NSInvocation对象，如果这个方法返回的nil，则崩溃报错unrecognized selector sent to instance；
• 如果- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector方法返回值不为nil，则调用- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation方法。

注意:
1、如果调用的是类方法，上述流程中，方法换成类方法（+开头）。
2、dynamic告诉编译器不要自动生成setter方法和getter方法的实现，等到运行时在添加方法的实现。
3、@synthesize age = _age;是为age属性生成_age,并且自动生成setter方法和getter方法，并赋值。

有关super

[super message]的底层实现

objc_msgSendSuper(self,[Person class],@selector(message));

[super class]返回的是当前类

- (class)class{
     return object_getClass(self);
}

[super superClass]返回的是父类

- (Class)superclass{
     return class_getSuperclass(object_getClass(self));
}

• 1、消息接收者仍然是子类对象;
• 2、从父类开始查找方法的实现;

Runtime的应用API

类相关

• 1、动态创建一个类（参数：父类，类名，额外的内存空间）创建之后要注册这个类
  Class objc_allocateClassPair(Class superClass，const char *name，size_t extraBytes)
• 2、注册一个类（要在类注册之前添加成员变量）
  Void objc_registerClassPair(Class cls)
• 3、销毁一个类
  Void objc_disposeClassPair(Class cls)
• 4、获取isa指向的Class，或者类对象（元类对象）
  Class object_getClass(id obj)
• 5、设置isa指向的class，此isa指向其他的类
  Class object_setClass(id obj，class cls)
• 6、判断一个OC对象是否为class，传入实例对象，BOOL为0，传入类对象，BOOL为1
  BOOL object_isClass(id obj)
• 7、判断一个Class是否为元素
  BOOL class_isMetaClass(Class cls)
• 8、获取父类
  Class class_getSuperclass(class cls)

成员变量相关

• 9、获取成员变量信息（获取不到值）
  Ivar class_getInstanceVariable(Class cls，const char *name)
• 10、拷贝实例变量列表（最后需要调用free释放）
  Ivar *class_copyIvarList(Class cls，unsigned int *outCount)
• 11、设置和获取成员变量的值
  Void object_setIvar(id obj，Ivar ivar，id value)
  Id object_getIvar(id obj，Ivar ivar)
• 12、动态添加成员变量
  BOOL class_addIvar(Class cls，const char *name，size_t size，unit8_t alignment，
  const char *types)
• 13、获取成员变量的相关信息
  const char *ivar_getName(Ivar v)
  const char *ivar_getTypeEncoding(Ivar v)

属性相关

• 14、获取一个属性
• 15、拷贝属性列表（最后需要调用free释放）
  objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls，unsigned int *outCount)
• 16、动态添加属性
  BOOL class_addProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t
  *attributes, unsigned int attributeCount)
• 17、动态替换属性
  void class_replaceProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t
  *attributes，unsigned int attributeCount)
• 18、获取属性的一些信息
  const char *property_getName(objc_property_t property)
  const char *property_getAttributes(objc_property_t property)

方法相关

• 19、获得一个实例方法、类方法
  Method class_getInstanceMethod(Class cls, SEL name)
  Method class_getClassMethod(Class cls, SEL name)
• 20、方法实现相关操作
  IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL name)
  IMP method_setImplementation(Method m, IMP imp)
  void method_exchangeImplementations(Method m1, Method m2)
• 21、拷贝方法列表（最后需要调用free释放）
  Method *class_copyMethodList(Class cls, unsigned int *outCount)
• 22、动态添加方法
  BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)
• 23、动态替换方法
  IMP class_replaceMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)
• 24、获取方法的相关信息（带有copy的需要调用free去释放）
  SEL method_getName(Method m)
  IMP method_getImplementation(Method m)
  const char *method_getTypeEncoding(Method m)
  unsigned int method_getNumberOfArguments(Method m)
  char *method_copyReturnType(Method m)
  char *method_copyArgumentType(Method m, unsigned int index)
• 25、选择器相关
  const char *sel_getName(SEL sel)
  SEL sel_registerName(const char *str)
• 26、用block作为方法实现
  IMP imp_implementationWithBlock(id block)
  id imp_getBlock(IMP anImp)
  BOOL imp_removeBlock(IMP anImp)