Runtime也就是我们通常所说的"运行时",是iOS开发过程中的一个不得不说的话题,基本大厂面试或多或少都会问到相关的问题.Runtime被称为iOS开发中的黑魔法,是因为它的强大,他能给我的开发带来很多的帮助.
我们在iOS中所用的Runtime是苹果给我们提供的C语言API,也就是说他给我们提供了很多的函数,让我们可以在我们的项目中可以有一些非常底层实际性的操作.Runtime可以让我们去动态的修改内存里的一些东西,譬如被执行的代码,创建的对象,图片等.
接下来通过一个简单的场景来使用Runtime,并在使用中来理解Runtime.
在项目中我们有时候会用到归档和解档.归档和解档使用时除了需要遵守<NSCoding>协议外,还需要指定对哪些属性进行归档和解档操作.以一个简单的Person为例子:
Person.h.png
Person.m.png
可以看到在.m文件中需要对指定的属性做出相应的操作,属性较少时还能够接受.如果属性很多时,有几十条甚至上百条属性时,这种重复的操作会让开发人员感到绝望.那么我们就应该想有没有简单的方法,甚至一劳永逸的方法.当碰到这种重复操作的时候,我们都希望能够用一个for循环来处理.但使用for循环,我们得知道需要循环多少次.以及每次循环的实现也要相对统一.然而Runtime+KVC恰好能够满足我们的需要.
Runtime简单使用
Runtime在iOS的objc框架中,使用时需要#import <objc/runtime.h>.进入到Runtime.h文件,会看到两个中药的结构体
typedef struct objc_method *Method;//成员方法
typedef struct objc_ivar *Ivar;//成员变量
以及获取成员变量的C语言方法
Ivar _Nonnull * _Nullable class_copyIvarList(Class _Nullable cls, unsigned int * _Nullable outCount)
从这个方法上可以看到,它需要传递两个参数,一个Class以及一个无符号的int类型的指针.Class就是我们要获取成员变量的那个类.
看到这里时,我想到一个问题.如何在C语言的函数中返回多个值?
在汇编代码里面return就是一个req,会将我们的返回值以一个指针的形式放在ax的寄存器里,所以return是不可能返回多个值的.
...
实现方法之一就是传递指针参数.
创建两个C语言方法对比一下
int y = 20;
add(y, 30);
int add(int a ,int b)
{
a = 10;
return a + b;
}
NSLog(@"%d",y); //打印出来的值为20;
int y = 20;
add(&y, 30);
int add(int *a ,int b)
{
*a = 10;
return *a + b;
}
NSLog(@"%d",y); //打印出来的值为10;
把指针作为函数形参，实际上相当于主调函数的实参与形参共用地址，所以在函数中的指针指向地址发生改变即是实参也随之改变。也相当于在调用函数时多个值返回给主调函数。
所以class_copyIvarList实际上有两个返回值,一个为ivar指针,一个为传递的int类型指针的形参.int类型指针指向的就是该类的成员变量的个数.ivar指针指向的则是在堆区域中开辟的一块连续区域用以存放该类的所有成员变量(ivar),类似数组.
指针
在这块连续内存区域中,每个元素所占的字节数是一样的,所以我们可以通过下标快速访问里面的任何元素.
unsigned int count = 0;
Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &count);
//拿到ivar
Ivar ivar = ivars[0];
另外,这块在堆区域中开辟的内存的方法为C语言方法,ARC对它不起作用,所以需要开发者手动释放掉.
//告诉需要归档那些属性
-(void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder
{
unsigned int count = 0;
Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &count);
for (int i = 0; i < count; i++)
{
//拿到ivar
Ivar ivar = ivars[i];
const char *name = ivar_getName(ivar);//c字符串
NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name];
[aCoder encodeObject:[self valueForKey:key] forKey:key];
}
free(ivars);//释放在堆区域中的内存,ARC无法释放
}
//告诉解档哪些属性
-(instancetype)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder
{
if (self = [super init])
{
unsigned int count = 0;
Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &count);
for (int i = 0; i < count; i++)
{
//拿到ivar
Ivar ivar = ivars[i];
const char *name = ivar_getName(ivar);//c字符串
NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name];
[self setValue:[aDecoder decodeObjectForKey:key] forKey:key];
}
free(ivars);//释放在堆区域中的内存,ARC无法释放
}
return self;
}
Class
在runtime.h文件中,我们可以看到一个结构体,如下
struct objc_class {
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
Class _Nullable super_class OBJC2_UNAVAILABLE; //父类
const char * _Nonnull 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 * _Nullable ivars OBJC2_UNAVAILABLE; //该类的成员变量链表
struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists OBJC2_UNAVAILABLE;//方法定义的链表
struct objc_cache * _Nonnull cache OBJC2_UNAVAILABLE; //方法缓存
struct objc_protocol_list * _Nullable protocols OBJC2_UNAVAILABLE; //协议链表
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
我们在使用runtime以class为前缀的方法时主要就是针对这个结构体中的各个字段的,且用法都是类似的.上面用到的class_copyIvarList就是针对这个将结构体中的ivars.
在这个结构体中有一个非常眼熟的单词"Class",jump to define,进入到objc.h中,可以看到
typedef struct objc_class *Class;
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
Class是objc_class类型的,id是objc_object的类型的.而且在objc_class中和objc_object中有一个共同的成员isa.
Class和id中isa的指向是不同的.id(实例对象)中的isa指向的是该对象的类.Class(类)中的isa指向的是metaClass(元类).按照"OC中万物皆对象"的说法,Class实际上是metaClass的对象.
在OC中,任何类的定义都是对象,类和类的实例（对象）没有任何本质上的区别,任何对象都有isa指针.
Class(类)中保存的是实例方法.当一个消息发送给任何一个对象在objc_msgSend函数中，首先通过obj的isa指针找到obj对应的class。在class中，有一块最近调用的方法的指针缓存，所以先去cache通过selector查找对应的method，若cache中未找到，再去method list中查找，若method list中未找到，则去superClass中查找。若能找到，则将method加入到cache中，以方便下次查找，并通过method中的函数指针跳转到对应的函数中去执行。
metaClass(元类)中保存的是类方法.当调用一个类方法的时候,在objc_msgSend函数中的实现和实例方法类似,不过是通过obj的isa指针找到obj对应的class的metaClass.同时注意的是：元类（meteClass）也是类，它也是对象。元类也有isa指针,它的isa指针最终指向的是一个根元类(root meteClass).根元类的isa指针指向本身，这样形成了一个封闭的内循环.
网上盗的图.png
简单来说,我们可以把OC中的所有对象当做是一个DNA可以遗传并修改的细胞,并且同类细胞之间可以快速通信.那么,Class为细胞,meataClass就是细胞核,细胞核承载自身信息(类方法),细胞本身有自身的功能(实例方法),细胞的形态又是由细胞核决定的(class为metaClass的对象),细胞分化的第一个细胞就是创建子类,这个细胞再分裂就是我们理解的实例化,,NSobject类就是受精卵,受精卵不断的分化和分裂最终形成一个完整的系统.(一个医学生本能的理解...)
以下代码演示运行时创建一个NSObject的子类Person
//创建一个Class和metaClass
Class Person = objc_allocateClassPair([NSObject class], "Person", 0);
//给Person添加一个名为name的NSString类型的属性
BOOL isSuccess = class_addIvar(Person, "name", sizeof(NSString *), 0, "@");
//添加一个实例方法
class_addMethod(Person, @selector(instanceMethod), (IMP)instanceMethod, "v@:");
//注册这个类到runtime系统中就可以使用它了
objc_registerClassPair(Person);
//获取元类
Class metaClass = objc_getMetaClass("MyClass");
//给元类增加方法,也就是增加类方法
class_addMethod(metaClass, @selector(classMethod), (IMP)classMethod, "V@:");
两个方法的实现必须得实现,否则无法通过SEL找到方法的实现
static void instanceMethod(id self, SEL _cmd)
{
NSLog(@"实例方法");
}
static void classMethod(id self, SEL _cmd)
{
NSLog(@"类方法");
}
Message
在上面讲Class中保存的是实例方法时,提到了objc_msgSend,并简述了查找Method的过程.在OC中对象调用方法,也叫给对象发送消息,实际上使用了动态绑定机制.在底层,所有的方法都是C语言函数,然而在对象是收到信息后,具体调用那个函数则完全取决于消息机制下SEL对应的IMP,甚至可以在程序运行时通过改变SEL和IMP的映射关系来调用不同的方法.正是这些特性使得OC成为一门真正的动态语言.
在OC中我们这样调用方法
id returnValue = [ClassOrObject messageName:parameter];
ClassOrObject为消息的接受者, messageName:为选择器,parameter为参数.
在底层,编译器将我们的消息转换为C语言函数,如下:
void objc_msgSend(id ClassOrObject,SEL cmd,…)
ClassOrObject为消息的接受者,cmd为选择器,省略号为哨兵参数,可支持多参数.
因此,以上的OC方法,实际实现是这样的.
id returnValue = objc_msgSend(ClassOrObject,@selector(messageName),paramter)
因为OC是基于C的,xcode也支持C语言.所以在代码中直接使用objc_msgSend方法,也是可以执行的.
Person *person = [Person alloc]init];
objc_msgSend(person,@selector(setName:),@"")
注意,根据函数返回值的不同，编译器还会将其编译为objc_msgSend_stret、objc_msgSend_fpret等.但是，实现大同小异.
我们可以时常在OC代码中夹杂一点底层的C语言代码来加固自己的印象和理解,但是要写好注释和OC方法.
method
首先看下方法的定义, Method 是一个objc_method结构体,定义如下:
struct objc_method {
SEL method_name; // 方法名称
charchar *method_typesE; // 参数和返回类型的描述字串
IMP method_imp; // 方法的具体的实现的指针
}
再看上面,我们给Person添加类方法和实例方法时
class_addMethod(Person, @selector(instanceMethod), (IMP)instanceMethod, "v@:");
Person为对象,@selector(instanceMethod)为方法名称选择器,(IMP)instanceMethod为方法具体实现的指针,"v@:"为参数和返回类型的描述字串(这里代表无参数返回).
可以看到,Method并不是直接是方法的实现,而是一个方法名和方法实现的一个映射关系.每添加一个方法时,就会创建一个映射关系,并将其放在Dispatch table中,Dispatch table是一张SEL和IMP的对应表.
当发送一个消息给对对象的时候,首先通过obj的isa指针找到obj对应的class(Class通过isa指针找到metaClass),然后在cache中通过selector查找method并通过IMP找到代码实现,如果cache中没有找到,则会在类空间的Dispatch table中查找,如果找到则执行,如果没有找到,则会去SuperClass中继续查找,依次上行.如果到了根类依然没有找到,则会抛出一个异常.
当我们重写父类的方法时,父类和子类中有相同名称的方法,他们有相同的SEL,但是他们的实现可以各不相同,因为在各自的Dispatch表中SEL所对应的IMP是不同的.
既然Method是SEL和IMP的映射关系,那么我们可以通过更改这个关系,来达到一些黑魔法的效果.譬如,在运行时交换两个方法的实现.
Method systemMethod = class_getInstanceMethod([NSStringclass],@selector(systemMethod));
Method selfMethod = class_getInstanceMethod([NSStringclass],@selector(selfMethod));
method_exchangeImplementations(systemMethod, selfMethod);
这样两个Method的IMP就互换了.调用systemMethod实际上执行的是selfMethod,而调用selfMethod则是执行systemMethod.方法实现的交换可以有很多应用场景，尤其在替换系统方法或者调试系统库等领域.
以上,是在运用Runtime过程中或者看Runtime的Api文档时一些思考.并不是对某一个方面作总结.而是一个发现问题思考问题,在思考中又发现问题的一个过程.
依然有些困惑,但是为了方便整理,这篇就到这儿了.
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