什么是runtime？
runtime 是OC底层的一套C语言库 （<objc/runtime.h>），基本上是用C和汇编写的，这个库使得OC具有了面向对象的能力。runtime做的事前就是加载类的信息，进行方法的分发和转发之类的。
类与对象的本质
class
Objective-C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。定义如下：
typedef struct objc_class *Class;
查看objc/runtime.h中objc_class结构体的定义如下：
struct objc_class {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
Class super_class OBJC2_UNAVAILABLE; // 父类
const char *name OBJC2_UNAVAILABLE; // 类名
long version OBJC2_UNAVAILABLE; // 类的版本信息，默认为0
long info OBJC2_UNAVAILABLE; // 类信息，供运行期使用的一些位标识
long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE; // 该类的实例变量大小
struct objc_ivar_list *ivars OBJC2_UNAVAILABLE; // 该类的成员变量链表
struct objc_method_list **methodLists OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法定义的链表
struct objc_cache *cache OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法缓存
struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE; // 协议链表
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
在上述objc_class结构体定义中，我们主要关注以下几个字段：
- isa: 在OC中，类本身也是一个对象，类的isa指针指向metaClass(元类)，而实例对象的isa指针指向类。
- super_class: isa用于自省确定所属类，super_class确定继承关系 。所以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。
- cache: 用于缓存最近使用的方法。一个接收者对象接收到一个消息时，它会根据isa指针去查找能够响应这个消息的对象。在实际使用中，这个对象只有一部分方法是常用的，很多方法其实很少用或者根本用不上。这种情况下，如果每次消息来时，我们都是methodLists中遍历一遍，性能势必很差。这时，cache就派上用场了。在我们每次调用过一个方法后，这个方法就会被缓存到cache列表中，下次调用的时候runtime就会优先去cache中查找，如果cache没有，才去methodLists中查找方法。这样，对于那些经常用到的方法的调用，但提高了调用的效率。
- version： 使用这个字段来提供类的版本信息。这对于对象的序列化非常有用，它可以让我们识别出不同类定义版本中实例变量布局的改变。
类的实例的结构体 objc_object
struct objc_object {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
typedef struct objc_object *id;
这个结构体只有一个字段，即指向其类的isa指针。向一个OC实例对象发送消息时，runtime库根据这个实例对象的isa指针找到该实例对象所属的类，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。
当创建某个类的实例对象时，分配的内存包含一个objc_object结构体，然后是该类到父类直到根类的成员变量数据。NSObject类的alloc和allocWithZone:方法使用函数class_createInstance来创建objc_object结构体。
另外，常见的id类型，它是一个objc_object结构类型的指针。它的存在可以让我们实现类似于C++中泛型的一些操作。该类型的对象可以转换为任何一种对象，有点类似于C语言中void *指针类型的作用。
元类(Meta Class)
在上面我们提到，所有的类自身也是一个对象，我们可以向这个对象发送消息(即调用类方法)。如：
NSArray *array = [NSArray array];
+array消息发送给了NSArray类，而这个NSArray也是一个对象，既然是对象，那么它也有一个objc_object结构体，该结构体内包含一个isa指针，指向该对象所属的类。那么这些就有一个问题了，NSArray对象本身就是一个类，这里的isa指针指向什么呢？不能指向他自己吧？为了调用+array方法，这个类的isa指针必须指向一个包含这些类方法的一个objc_class结构体。这就引出了meta-class(元类)的概念。
当我们向一个对象发送消息时，runtime会在这个对象所属的这个类的方法列表中查找方法；而向一个类发送消息时，会在这个类的meta-class的方法列表中查找。
meta-class之所以重要，是因为它存储着一个类的所有类方法。每个类都会有一个单独的meta-class，因为每个类的类方法基本不可能完全相同。
类与对象相关的操作函数
runtime提供了大量的函数来操作类与对象。类的操作方法大部分是以class为前缀的，而对象的操作方法大部分是以objc或object_为前缀。下面我们将根据这些方法的用途来分类讨论这些方法的使用。
类相关操作函数
观察objc_class的定义，runtime提供的操作类的方法主要就是针对这个结构体中的各个字段的。
(1) 类名(name)
// 获取类的类名
const char * class_getName ( Class cls );
对于class_getName函数，如果传入的cls为Nil，则返回一个空字符串。
(2) 父类(super_class)和元类(meta-class)
// 获取类的父类
Class class_getSuperclass ( Class cls );
// 判断给定的Class是否是一个元类
BOOL class_isMetaClass ( Class cls );
class_getSuperclass函数，当cls为Nil或者cls为根类时，返回Nil。不过通常我们可以使用NSObject类的superclass方法来达到同样的目的。
class_isMetaClass函数，如果是cls是元类，则返回YES；如果否或者传入的cls为Nil，则返回NO。
(3) 实例变量大小(instance_size)
// 获取实例大小
size_t class_getInstanceSize ( Class cls );
.
(4) 成员变量(ivars)及属性
在objc_class中，所有的成员变量、属性的信息是放在链表ivars中的。ivars是一个数组，数组中每个元素是指向Ivar(变量信息)的指针。runtime提供了丰富的函数来操作这一字段。
// 获取类中指定名称实例成员变量的信息
Ivar class_getInstanceVariable ( Class cls, const char *name );
// 获取类成员变量的信息
Ivar class_getClassVariable ( Class cls, const char *name );
// 添加成员变量
BOOL class_addIvar ( Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types );
// 获取整个成员变量列表
Ivar * class_copyIvarList ( Class cls, unsigned int *outCount );
class_getInstanceVariable函数，它返回一个指向包含name指定的成员变量信息的objc_ivar结构体的指针(Ivar)。
class_getClassVariable函数，目前没有找到关于Objective-C中类变量的信息，一般认为Objective-C不支持类变量。注意，返回的列表不包含父类的成员变量和属性。
Objective-C不支持往已存在的类中添加实例变量，因此不管是系统库提供的提供的类，还是我们自定义的类，都无法动态添加成员变量。但如果我们通过运行时来创建一个类的话，又应该如何给它添加成员变量呢？这时我们就可以使用class_addIvar函数了。不过需要注意的是，这个方法只能在objc_allocateClassPair函数与objc_registerClassPair之间调用。另外，这个类也不能是元类。成员变量的按字节最小对齐量是1<<alignment。这取决于ivar的类型和机器的架构。如果变量的类型是指针类型，则传递log2(sizeof(pointer_type))。
class_copyIvarList函数，它返回一个指向成员变量信息的数组，数组中每个元素是指向该成员变量信息的objc_ivar结构体的指针。这个数组不包含在父类中声明的变量。outCount指针返回数组的大小。需要注意的是，我们必须使用free()来释放这个数组。
// 获取指定的属性
objc_property_t class_getProperty ( Class cls, const char *name );
// 获取属性列表
objc_property_t * class_copyPropertyList ( Class cls, unsigned int *outCount );
// 为类添加属性
BOOL class_addProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );
// 替换类的属性
void class_replaceProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );
(5) 方法(methodLists)
方法操作主要有以下函数：
// 添加方法
BOOL class_addMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types );
// 获取实例方法
Method class_getInstanceMethod ( Class cls, SEL name );
// 获取类方法
Method class_getClassMethod ( Class cls, SEL name );
// 获取所有方法的数组
Method * class_copyMethodList ( Class cls, unsigned int *outCount );
// 替代方法的实现
IMP class_replaceMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types );
// 返回方法的具体实现
IMP class_getMethodImplementation ( Class cls, SEL name );
IMP class_getMethodImplementation_stret ( Class cls, SEL name );
// 类实例是否响应指定的selector
BOOL class_respondsToSelector ( Class cls, SEL sel );
我们可以为类动态添加方法，不管这个类是否已存在。
class_getInstanceMethod class_getClassMethod函数，与class_copyMethodList不同的是，这两个函数都会去搜索父类的实现。
class_copyMethodList函数，返回包含所有实例方法的数组，如果需要获取类方法，则可以使用class_copyMethodList(object_getClass(cls), &count)(一个类的实例方法是定义在元类里面)。该列表不包含父类实现的方法。outCount参数返回方法的个数。在获取到列表后，我们需要使用free()方法来释放它。
class_replaceMethod函数，该函数的行为可以分为两种：如果类中不存在name指定的方法，则类似于class_addMethod函数一样会添加方法；如果类中已存在name指定的方法，则类似于method_setImplementation一样替代原方法的实现。
class_getMethodImplementation函数，该函数在向类实例发送消息时会被调用，并返回一个指向方法实现函数的指针。这个函数会比method_getImplementation(class_getInstanceMethod(cls, name))更快。返回的函数指针可能是一个指向runtime内部的函数，而不一定是方法的实际实现。例如，如果类实例无法响应selector，则返回的函数指针将是运行时消息转发机制的一部分。
class_respondsToSelector函数，我们通常使用NSObject类的respondsToSelector:或instancesRespondToSelector:方法来达到相同目的。
(6) 协议(objc_protocol_list)
协议相关的操作包含以下函数：
// 添加协议
BOOL class_addProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );
// 返回类是否实现指定的协议
BOOL class_conformsToProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );
// 返回类实现的协议列表
Protocol * class_copyProtocolList ( Class cls, unsigned int *outCount );
class_conformsToProtocol函数可以使用NSObject类的conformsToProtocol:方法来替代。
class_copyProtocolList函数返回的是一个数组，在使用后我们需要使用free()手动释放。
实例相关的操作函数
实例操作函数主要是针对我们创建的实例对象的一系列操作函数，我们可以使用这组函数来从实例对象中获取我们想要的一些信息，如实例对象中变量的值。这组函数可以分为三小类：
(1) 对实例对象进行操作的函数
// 返回指定对象的一份拷贝
id object_copy ( id obj, size_t size );
// 释放指定对象占用的内存
id object_dispose ( id obj );
有这样一种场景，假设我们有类A和类B，且类B是类A的子类。类B通过添加一些额外的属性来扩展类A。现在我们创建了一个A类的实例对象，并希望在运行时将这个对象转换为B类的实例对象，这样可以添加数据到B类的属性中。这种情况下，我们没有办法直接转换，因为B类的实例会比A类的实例更大，没有足够的空间来放置对象。此时，我们就要以使用以上几个函数来处理这种情况，如下代码所示：
NSObject *a = [[NSObject alloc] init];
id newB = object_copy(a, class_getInstanceSize(MyClass.class));
object_setClass(newB, MyClass.class);
object_dispose(a);
(2) 操作对象的实例变量
// 修改类实例的实例变量的值
Ivar object_setInstanceVariable ( id obj, const char *name, void *value );
// 获取对象实例变量的值
Ivar object_getInstanceVariable ( id obj, const char *name, void **outValue );
// 返回指向给定对象分配的任何额外字节的指针
void * object_getIndexedIvars ( id obj );
// 返回对象中实例变量的值
id object_getIvar ( id obj, Ivar ivar );
// 设置对象中实例变量的值
void object_setIvar ( id obj, Ivar ivar, id value );
如果实例变量的Ivar已经知道，那么调用object_getIvar会比object_getInstanceVariable函数快，相同情况下，object_setIvar也比object_setInstanceVariable快。
(3) 操作对象的类
// 返回给定对象的类名
const char * object_getClassName ( id obj );
// 返回对象的类
Class object_getClass ( id obj );
// 设置对象的类
Class object_setClass ( id obj, Class cls );
网友评论