底层探索--runtime的本质

作者: 永断阎罗 | 来源:发表于2021-10-14 14:00 被阅读0次

基本

Objective-C是一门动态性比较强的编程语言，跟C、C++等语言有着很大的不同
Objective-C的动态性是由Runtime API来支撑的
Runtime API提供的接口基本都是C语言的，源码由C\C++\汇编语言编写

涉及基础

类族：最基础的类型需实际去探究。
arm64架构之前，isa就是一个普通的指针，存储着对象、Class、Meta-Class对象的内存指针。
arm64之后isa指针的变化：
- 对isa进行了优化，变成了一个共用体(union)结构，还是用位域来存储更多的信息（33位存类信息）。如下图：
- 下图struct内部的: 数字表示所占位数（位域）；（如下图，总共占64位，其中shiftcls : 33 从右到左占33位）：所以Mask以后类地址和元类地址后三位一定是0，换算成16进制，则最后一位是0或8
runtime之isa共用体.png

位域详解

runtime之isa位域详解.png

位运算详解

左移运算符 <<
- x << n：x(二进制)向左移动n位（如：1 << 2，实际：Ob0001 << 2 = 0b0100 即十进制4）
右移运算符 >>
- x >> n：x(二进制)向右移动n位（如：8 >> 2，实际：Ob1000 >> 2 = 0b0010 即十进制2）
或运算符 |
- x | y：x(二进制)和y(二进制)只要对应的2个二进制位有一个为1时，则结果就为1（如：1 | 2，实际：0b0001 | 0b0010 = 0b0011 即十进制3）
与运算符 &
- x & y：x(二进制)和y(二进制)只有对应的2个二进制位都为1时，其结果才为1（如：15 & 2，实际：0b1111 & 0b0010 = 0b0010 即十进制2）
取反运算符 ~
- _{x：x(二进制)的所有二进制位都进行取反，0变1，1变0（如：}2，实际：~0b0010 = 0b1101 即十进制13）

位运算对应isa指针的实际应用

例如isa位域的操作：

实例：
union Test { //共用体：开辟所有属性中占用最大字节的内存，每个属性使用共同的空间，值会覆写。
    char bits; //(char内存中占一个字节，占8位)
    struct { //相当于说明，占4位
        char isMan : 1;
        char isDead : 1;
        char age : 2;
    };
} test;

#define kIsMan (1 << 0)

//设置对应isMan的值，而其他位不变
- (void)setIsMan:(BOOL)isMan {
    if (isMan) {
        test.bits |= kIsMan;
    }else {
        test.bits &= (~kIsMan);
    }
}

//取出对应isMan的值
- (BOOL)isMan {
    return !!(test.bits & kIsMan); //保证取出的值为BOOL值
}

方法本质

类的底层结构

类的结构体(真-最新).png
- 其中的bits如最上位域所示，用64个字节，存取了非常多的信息
- 其中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，（如特别说明：methods是二维数组，存储了本类和和分类的方法数组，其方法数组里才是对应的method_t）；
- 其中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。
方法的底层结构

runtime之method的结构.png
- 其中方法的types参数的编码表如下图所示：
  runtime之方法编码表.png
cache_t cache底层结构及原理说明：
runtime之方法缓存结构.png
- 原理说明：(注：_mask等于_buckets的长度-1)
  - 存储时：会@selector(方法名) & _mask，就可得到一个小于_buckets的长度的下标，如果此下标的里面为NULL则存取，反之(此下标-1 或等于最大下标继续-1 ，直到等于此下标时结束)直到找到NULL存。
  - 读取是：同理@selector(方法名) & _mask，找到下标并判断里面内容的key是否等于@selector(方法名)，有则返回，反之(此下标-1 或等于最大下标继续-1 ，直到等于此下标时结束)如找到则返回，否则返回NULL。
  - 注意点：1. 当初始空间不够时，则重新开辟(初始值*2)的空间并清空内部所有缓存。2. &出来的下标可能相同，所以需要判断内部的key是否等于自身。

消息转发

参考文章

[[MessageSend new] sendMessage:@"Hello"];
 //等同于
 objc_msgSend([MessageSend new], @selector(sendMessage:), @"Hello");

步骤：

首先通过[Message new]对象的isa指针找打它对应的class。
在class的cache list 查找是否有sendMessage方法，有则返回，否则往下走。
在class的method list 查找是否有sendMessage方法。
如果没有就去它的superclass里继续查找(先cache、再method list)。
一旦查找到对应的函数方法，就去执行它的实现IMP。
如果一直没有找到，就执行消息转发。

消息转发机制：

动态方法解析：为指定方法(sel)添加方法实现(IMP)

 +(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel; //对象方法-动态解析
 +(BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel; //类方法-动态解析

快速转发：为方法指定备援的接受者(即类对象)

  - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector; //针对对象方法
  + (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector; //针对类方法

慢速转发：手动生成方法签名并转发给另一对象，分两步（方法签名+指定备胎对象）

 //针对对象方法
 - (NSMethodSignature*)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;
 - (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation;
 //针对类方法
 + (NSMethodSignature*)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;
 + (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation;

runtime之方法编码表.png

消息未处理：避免崩溃

   - (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector; //针对对象方法
   + (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector; //针对类方法

注：越往下花费的代价越大。
重点：对象方法和类方法传递的对象不同，一个传递类对象，一个传递元类对象。！！！！

实例代码

 //1. 动态方法解析
 + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
     NSString *name = NSStringFromSelector(sel);
     if ([name isEqualToString:@"sendMessage:"]) {
         //C 的写法:则指定方法为C写法
         return class_addMethod(self, sel, (IMP)testFundation, "v@:");
         //OC的写法:则指定方法为OC写法
 //        return class_addMethod(self, sel, class_getMethodImplementation(self, @selector(testFundation)), "v@:");
     }
     return [super resolveInstanceMethod:sel]; //默认用父
 }
 
 //2. 快速转发
 - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
     NSString *name = NSStringFromSelector(aSelector);
     if ([name isEqualToString:@"sendMessage:"]) {
         TEst *test = [[TEst alloc] init];
         if ([test respondsToSelector:aSelector]) { //相应方法
             return test;
         }
     }
     return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
 }
 
 //3.1 慢速转发-方法签名
 - (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
     NSString *name = NSStringFromSelector(aSelector);
     if ([name isEqualToString:@"sendMessage:"]) {
         return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:@"];
     }
     return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
 }
 
 //3.2 慢速转发(不实现方法签名，不会到这里来)你可以尽情的处理---用于避免崩溃或做其他操作。
 - (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
     SEL sel = [anInvocation selector];
     TEst *test = [[TEst alloc] init];
     if ([test respondsToSelector:sel]) { //相应方法
 //        anInvocation.target = test; //这样申明不行，下边得行
         [anInvocation invokeWithTarget:test];
     }else {
         [super forwardInvocation:anInvocation];
     }
 }
 
 //4. 消息未处理：避免崩溃
 - (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector {
     if (DEBUG) {
         NSLog(@"我没找到任何方法");
     }
 }
 
 //动态解析方法--采用OC的写法
 - (void) testFundation {
     NSLog(@"我倒这里来了--OC");
 }
 
 //动态解析方法--采用C的写法
 void testFundation() {
     NSLog(@"我倒这里来了--C");
 }

super本质

//objc_super2在最新官方源码中的结构体定义
struct objc_super2 {
    id receiver; //接受者
    Class current_class; //当前类，内部实现是会取它的superclass
};

//作用：从消息接受者的superclass类开始找对象方法或类方法
(void *)objc_msgSendSuper2)({
   (id)self,
   (id)class_getSuperclass(objc_getClass("Student"))
}, sel_registerName("class"))

//sel_registerName("class") == @selector(class)
//结构体-两个成员：{self 和 class_getSuperclass("Student") == 父类}



+ (Class)class {
    return self;
}

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

+ (Class)superclass {
    return self->superclass;
}

- (Class)superclass {
    return [self class]->superclass;
}


//探究：super的本质
NSLog(@"[self class] %@\n",[self class]);
NSLog(@"[self superclass] %@\n",[self superclass]);
NSLog(@"[super class] %@\n",[super class]);
NSLog(@"[super superclass] %@\n",[super superclass]);

/**
 //打印结果：
 testApp[1650:33448] [self class]       Student
 testApp[1650:33448] [self superclass]  Person
 testApp[1650:33448] [super class]      Student
 testApp[1650:33448] [super superclass] Person
*/

//解释：接受者为self，方法为class，然class是NSObject的对象方法，而class内部代码为“object_getClass(self)”故在这种情况下：==[self class]

总结：super的本质是，调用objc_msgSendSuper()消息发送，从消息接受者的superclass类开始找对象方法或类方法。

探究`isMemberOfClass`and`isKindOfClass`

源码

  //直接用self的元类对象和参数进行比较
  + (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
      return self->ISA() == cls;
  }
  
  //直接用self的类对象和参数比较
  - (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
      return [self class] == cls;
  }
  
  //用self及其父类的元类对象和参数进行比较
  + (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
      for (Class tcls = self->ISA(); tcls; tcls = tcls->superclass) {
          if (tcls == cls) return YES;
      }
      return NO;
  }
  
  //用self及其父类的类对象和参数比较
  - (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
      for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->superclass) {
          if (tcls == cls) return YES;
      }
      return NO;
  }

实际运用

  //前提：Student 是 Person的子类
  
  NSLog(@"-isKindOfClass %d \n",[self isKindOfClass:[Person class]]); //1 //Student是Person的子类
  NSLog(@"-isMemberOfClass %d \n",[self isMemberOfClass:[Person class]]); //0 是直接[self class] 比较参数，故Student不匹配Person
  
  NSLog(@"+isKindOfClass %d \n",[[self class] isKindOfClass:[Person class]]); //0 因为类对象和元类对象不匹配
  NSLog(@"+isMemberOfClass %d \n",[[self class] isMemberOfClass:[Person class]]); //0 因为类对象和元类对象不匹配
  
  NSLog(@"+isKindOfClass %d \n",[NSObject isKindOfClass:[Person class]]); //0 因为类对象和元类对象不匹配
  NSLog(@"+isMemberOfClass %d \n",[NSObject isMemberOfClass:[Person class]]); //0  因为类对象和元类对象不匹配
  
  NSLog(@"+isKindOfClass %d \n",[NSObject isKindOfClass:[NSObject class]]); //1 特殊---因为按源码最终的superclass是类对象[NSObject class]，故可以相等
  NSLog(@"+isKindOfClass %d \n",[NSObject isKindOfClass:object_getClass([Person class])]); //0  因为类对象和元类对象不匹配
  NSLog(@"+isMemberOfClass %d \n",[NSObject isMemberOfClass:object_getClass([Person class])]); //0  因为类对象和元类对象不匹配

Runtime部分常用方法介绍

类
- Class objc_allocateClassPair(Class superclass, const char *name, size_t extraBytes)：动态创建一个类（参数：父类，类名，额外的内存空间）
- void objc_registerClassPair(Class cls)：注册一个类（要在类注册之前添加成员变量
- void objc_disposeClassPair(Class cls)：销毁一个类
- Class object_getClass(id obj)：获取isa指向的Class
- Class object_setClass(id obj, Class cls)：设置isa指向的Class
- BOOL object_isClass(id obj)：判断一个OC对象是否为Class
- BOOL class_isMetaClass(Class cls)：判断一个Class是否为元类
- Class class_getSuperclass(Class cls)：获取父类
成员变量
- Ivar class_getInstanceVariable(Class cls, const char *name)：获取一个实例变量信息
- Ivar *class_copyIvarList(Class cls, unsigned int *outCount)：拷贝实例变量列表（最后需要调用free释放）
- void object_setIvar(id obj, Ivar ivar, id value)：设置成员变量的值（基本类型需用(__bridge id)(void *)进行转换，否则编译错误）
- id object_getIvar(id obj, Ivar ivar)：获取成员变量的值
- BOOL class_addIvar(Class cls, const char * name, size_t size, uint8_t alignment, const char * types)：动态添加成员变量（已经注册的类是不能动态添加成员变量的）
- const char *ivar_getName(Ivar v)：获取成员变量的名字(需转成NSString才是真正的)
- const char *ivar_getTypeEncoding(Ivar v)：获取成员变量的类型信息
属性
- objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name)：获取一个属性
- objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount)：拷贝属性列表（最后需要调用free释放）
- BOOL class_addProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount)：动态添加属性
- void class_replaceProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount)：动态替换属性
- const char *property_getName(objc_property_t property)：获取属性的名字(需转成NSString才是真正的)
- const char *property_getAttributes(objc_property_t property)：获取属性的类型信息
方法
- Method class_getInstanceMethod(Class cls, SEL name)：获取对象方法
- Method class_getClassMethod(Class cls, SEL name)：获取类方法
- IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL name)：获取方法的实现
- IMP method_setImplementation(Method m, IMP imp)：添加方法的实现
- void method_exchangeImplementations(Method m1, Method m2)：交换两个方法的实现
- Method *class_copyMethodList(Class cls, unsigned int *outCount)：拷贝方法列表（最后需要调用free释放）
- BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)：添加方法的实现
- IMP class_replaceMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)：替换方法的实现
- SEL method_getName(Method m)：获取方法的名字
- IMP method_getImplementation(Method m)：获取方法的实现
- const char *method_getTypeEncoding(Method m)：获取方法的编码
- unsigned int method_getNumberOfArguments(Method m)：获取一个方法实际的参数个数
- char *method_copyReturnType(Method m)：获取一个方法的类型编码(需free释放)
- char *method_copyArgumentType(Method m, unsigned int index)：获取一个方法某个位置参数的类型编码(需free释放)
- const char *sel_getName(SEL sel)：获取方法的名字(需转成NSString才是真正的)
- SEL sel_registerName(const char *str)：字符注册一个方法名
- IMP imp_implementationWithBlock(id block)：用闭包封装一个方法的实现（不太常用）
- id imp_getBlock(IMP anImp)：获取一个实现的闭包（不常用）
- BOOL imp_removeBlock(IMP anImp)：移除一个实现的闭包（不常用）

方法交换实际应用

//方法事件点击：---- UIControl分类
+ (void)load
{
    // hook：钩子函数
    Method method1 = class_getInstanceMethod(self, @selector(sendAction:to:forEvent:));
    Method method2 = class_getInstanceMethod(self, @selector(mj_sendAction:to:forEvent:));
    method_exchangeImplementations(method1, method2);
}

//拦截了所有点击的事件
- (void)mj_sendAction:(SEL)action to:(id)target forEvent:(UIEvent *)event
{
    NSLog(@"%@-%@-%@", self, target, NSStringFromSelector(action));
    
    // 调用系统原来的实现
    [self mj_sendAction:action to:target forEvent:event];
}

//拦击数组所有添加、插入的事件：---- NSMutableArray分类
+ (void)load {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        // 类簇：NSString、NSArray、NSDictionary，真实类型是其他类型
        Class cls = NSClassFromString(@"__NSArrayM");
        Method method1 = class_getInstanceMethod(cls, @selector(insertObject:atIndex:));
        Method method2 = class_getInstanceMethod(cls, @selector(mj_insertObject:atIndex:));
        method_exchangeImplementations(method1, method2);
    });
}

- (void)mj_insertObject:(id)anObject atIndex:(NSUInteger)index {
    if (anObject == nil) return;
    
    [self mj_insertObject:anObject atIndex:index];
}

//拦击字典所有赋值、取值的事件：---- NSMutableDictionary分类
+ (void)load
{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
         //赋值NSMutableDictionary真正基类是__NSDictionaryM
        Class cls = NSClassFromString(@"__NSDictionaryM");
        Method method1 = class_getInstanceMethod(cls, @selector(setObject:forKeyedSubscript:));
        Method method2 = class_getInstanceMethod(cls, @selector(mj_setObject:forKeyedSubscript:));
        method_exchangeImplementations(method1, method2);
        
        //获值时的真正基类是__NSDictionaryI
        Class cls2 = NSClassFromString(@"__NSDictionaryI");
        Method method3 = class_getInstanceMethod(cls2, @selector(objectForKeyedSubscript:));
        Method method4 = class_getInstanceMethod(cls2, @selector(mj_objectForKeyedSubscript:));
        method_exchangeImplementations(method3, method4);
    });
}

- (void)mj_setObject:(id)obj forKeyedSubscript:(id<NSCopying>)key {
    if (!key) return;
    
    [self mj_setObject:obj forKeyedSubscript:key];
}

- (id)mj_objectForKeyedSubscript:(id)key {
    if (!key) return nil;
    
    return [self mj_objectForKeyedSubscript:key];
}

面试题

1、讲一下OC的消息机制？

（详情见上）OC中的方法调用其实都是转成了objc_msgSend函数的调用，给receiver（方法调用者）发送了一条消息（selector方法名）
objc_msgSend底层有3大阶段
消息发送（当前类、父类中查找）、动态方法解析、消息转发

2、什么是Runtime？平时项目中有用过么？

解释：
OC是一个门动态性比较强的编程语言，允许很多操作推迟到程序运行时再进行，
OC的动态性就是由Runtime来支撑和实现的，Runtime是一套C语言的API，封装了很多动态性的函数，
平时编写的OC代码，底层都是转换成了Runtime API进行的。

具体应用：
利用关联对象(AssociatedObject)给分类添加属性
变量类的所有成员变量(修复textfield的占位文字颜色、字典转模型、自动归档和解档)
交换方法的实现（交换系统的方法，如：重写reload方法实现空白占位图自动消失和出现）
利用消息转发机制解决方法找不到的异常问题。（防Crash处理）
....

底层探索--runtime的本质

基本

涉及基础

位运算详解

位运算对应isa指针的实际应用

方法本质

消息转发

步骤：

super本质

探究`isMemberOfClass`and`isKindOfClass`

Runtime部分常用方法介绍

方法交换实际应用

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