基本知识篇:iOS开发·runtime原理与实践

摘要：这篇文章首先介绍runtime原理，包括类，超类，>元类，super_class，isa，对象，方法，SEL，IMP等概念，同时分别介绍与这些概念有关的API。接着介绍方法调用流程，以及寻找IMP的过程。然后，介绍一下这些API的常见用法，并介绍runtime的冷门知识。最后介绍一下runtime的实战指南。

Tips :苹果公开的源代码在这里可以查，https://opensource.app.com/tarballs/

例如，其中，有两个比较常见需要学习源码的地址:

连接

• runtime的源代码在 https://opensource.apple.com/tarballs/lobic4/

• runioop(其实是整个CoreFoundation的源代码在https://opensource.apple.com//tarballs/CF/

当然，如果你想在github上在线查看源代码，可以点这里: runtime, runtoop

1. 运行时

1.1 基本概念: 运行时

Runtime 的概念

Runtime 又叫运行时，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。比如：

//发送消息

[receiver message];

“底层运行时会被编译器转化为:

objc msgSend(receiver, selector)

11 JORHIFs:

[receiver message:(id)arg...];

11底层运行时会被编译器转化为:

objc_ msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ..)

<meta charset="utf-8">

以上你可能看不出它的价值，但是我们需要了解的是 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，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。Runtime 基本是用 C 和汇编写的，由此可见苹果为了动态系统的高效而做出的努力。苹果和 GNU 各自维护一个开源的 Runtime 版本，这两个版本之间都在努力保持一致。

Runtime 的作用

Objc 在三种层面上与 Runtime 系统进行交互：

通过 Objective-C 源代码

通过 Foundation 框架的 NSObject 类定义的方法

通过对 Runtime 库函数的直接调用

1.2 各种基本概念的C表达

在 Objective-C 中，类、对象和方法都是一个 C 的结构体，从 objc/objc.h（对象，objc_object，id）以及objc/runtime.h（其它，类，方法，方法列表，变量列表，属性列表等相关的）以及中，我们可以找到他们的定义。

① 类

类对象(Class)是由程序员定义并在运行时由编译器创建的，它没有自己的实例变量，这里需要注意的是类的成员变量和实例方法列表是属于实例对象的，但其存储于类对象当中的。我们在objc/objc.h下看看Class的定义:

Class

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在这里我还是要推荐下我自己建的iOS开发学习群：680565220，群里都是学ios开发的，如果你正在学习ios ，小编欢迎你加入，今天分享的这个案例已经上传到群文件，大家都是软件开发党，不定期分享干货（只有iOS软件开发相关的），包括我自己整理的一份2018最新的iOS进阶资料和高级开发教程

可以看到类是由Class类型来表示的，它是一个objc_class结构类型的指针。我们接着来看objc_class结构体的定义:

objc_class

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参数解析

isa指针是和Class同类型的objc_class结构指针，类对象的指针指向其所属的类，即元类。元类中存储着类对象的类方法，当访问某个类的类方法时会通过该isa指针从元类中寻找方法对应的函数指针。

super_class指针指向该类所继承的父类对象，如果该类已经是最顶层的根类(如NSObject或NSProxy), 则 super_class为NULL。

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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：我们可以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，它可是让我们识别出不同类定义版本中实例变量布局的改变。

protocols：当然可以看出这一个objc_protocol_list的指针。关于objc_protocol_list的结构体构成后面会讲。

获取类的类名

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实例对象是我们对类对象alloc或者new操作时所创建的，在这个过程中会拷贝实例所属的类的成员变量，但并不拷贝类定义的方法。调用实例方法时，系统会根据实例的isa指针去类的方法列表及父类的方法列表中寻找与消息对应的selector指向的方法。同样的，我们也来看下其定义:

objc_object

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可以看到，这个结构体只有一个isa变量，指向实例对象所属的类。任何带有以指针开始并指向类结构的结构都可以被视作objc_object, 对象最重要的特点是可以给其发送消息。 NSObject类的alloc和allocWithZone:方法使用函数class_createInstance来创建objc_object数据结构。

另外我们常见的id类型，它是一个objc_object结构类型的指针。该类型的对象可以转换为任何一种对象，类似于C语言中void *指针类型的作用。其定义如下所示:

id

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元类(Metaclass)就是类对象的类，每个类都有自己的元类，也就是objc_class结构体里面isa指针所指向的类. Objective-C的类方法是使用元类的根本原因，因为其中存储着对应的类对象调用的方法即类方法。

当向对象发消息，runtime会在这个对象所属类方法列表中查找发送消息对应的方法，但当向类发送消息时，runtime就会在这个类的meta class方法列表里查找。所有的meta class，包括Root class，Superclass，Subclass的isa都指向Root class的meta class，这样能够形成一个闭环。

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所以由上图可以看到，在给实例对象或类对象发送消息时，寻找方法列表的规则为:

当发送消息给实例对象时，消息是在寻找这个对象的类的方法列表(实例方法)

当发送消息给类对象时，消息是在寻找这个类的元类的方法列表(类方法)

元类，就像之前的类一样，它也是一个对象，也可以调用它的方法。所以这就意味着它必须也有一个类。所有的元类都使用根元类作为他们的类。比如所有NSObject的子类的元类都会以NSObject的元类作为他们的类。

根据这个规则，所有的元类使用根元类作为他们的类，根元类的元类则就是它自己。也就是说基类的元类的isa指针指向他自己。

操作函数

super_class和meta-class

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在Objective-C中，属性(property)和成员变量是不同的。那么，属性的本质是什么？它和成员变量之间有什么区别？简单来说属性是添加了存取方法的成员变量，也就是:

@property = ivar + getter + setter;

因此，我们每定义一个@property都会添加对应的ivar, getter和setter到类结构体objc_class中。具体来说，系统会在objc_ivar_list中添加一个成员变量的描述，然后在methodLists中分别添加setter和getter方法的描述。下面的objc_property_t是声明的属性的类型，是一个指向objc_property结构体的指针。

用法举例

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另外，关于属性有一个objc_property_attribute_t结构体列表，objc_property_attribute_t结构体包含name和value

objc_property_attribute_t

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常用的属性如下：

属性类型 name值：T value：变化

编码类型 name值：C(copy) &(strong) W(weak)空(assign) 等 value：无

非/原子性 name值：空(atomic) N(Nonatomic) value：无

变量名称 name值：V value：变化

例如

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⑤ 成员变量

Ivar: 实例变量类型，是一个指向objc_ivar结构体的

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指针

Ivar

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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。

objc_ivar_list

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其中，

方法名类型为 SEL

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

method_imp 指向了方法的实现，本质是一个函数指针

简言之，Method = SEL + IMP + method_types，相当于在SEL和IMP之间建立了一个映射。

操作函数

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在源码中没有直接找到 objc_selector 的定义，从一些书籍上与 Blog 上看到可以将 SEL 理解为一个 char* 指针。

具体这 objc_selector 结构体是什么取决与使用GNU的还是Apple的运行时， 在Mac OS X中SEL其实被映射为一个C字符串，可以看作是方法的名字，它并不一个指向具体方法实现（IMP类型才是）。

对于所有的类，只要方法名是相同的，产生的selector都是一样的。

操作函数

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实际上就是一个函数指针，指向方法实现的首地址。通过取得 IMP，我们可以跳过 runtime 的消息传递机制，直接执行 IMP指向的函数实现，这样省去了 runtime 消息传递过程中所做的一系列查找操作，会比直接向对象发送消息高效一些，当然必须说明的是，这种方式只适用于极特殊的优化场景，如效率敏感的场景下大量循环的调用某方法。

操作函数

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上面提到了objc_class结构体中的cache字段，它用于缓存调用过的方法。这个字段是一个指向objc_cache结构体的指针，其定义如下：

Cache

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该结构体的字段描述如下：

mask：一个整数，指定分配的缓存bucket的总数。在方法查找过程中，Objective-C runtime使用这个字段来确定开始线性查找数组的索引位置。指向方法selector的指针与该字段做一个AND位操作(index = (mask & selector))。这可以作为一个简单的hash散列算法。

occupied：一个整数，指定实际占用的缓存bucket的总数。

buckets：指向Method数据结构指针的数组。这个数组可能包含不超过mask+1个元素。需要注意的是，指针可能是NULL，表示这个缓存bucket没有被占用，另外被占用的bucket可能是不连续的。这个数组可能会随着时间而增长。

⑪ 协议链表

前面objc_class的结构体中有个协议链表的参数，协议链表用来存储声明遵守的正式协议

objc_protocol_list

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2. 方法调用流程

objc_msgSend() Tour 系列文章通过对 objc_msgSend 的汇编源码分析，总结出以下流程：

2.1 方法调用流程

检查 selector 是否需要忽略

检查 target 是否为 nil，如果是 nil 就直接 cleanup，然后 return

在 target 的 Class 中根据 selector 去找 IMP

2.2 寻找 IMP 的过程:

在当前 class 的方法缓存里寻找（cache methodLists）

找到了跳到对应的方法实现，没找到继续往下执行

从当前 class 的 方法列表里查找（methodLists），找到了添加到缓存列表里，然后跳转到对应的方法实现；没找到继续往下执行

从 superClass 的缓存列表和方法列表里查找，直到找到基类为止

以上步骤还找不到 IMP，则进入消息动态处理和消息转发流程，详见请关注微信公众号：程序员大牛！

我们能在 objc4官方源码 中找到上述寻找 IMP 的过程，具体对应的代码如下：

objc-class.mm

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3. 运行时相关的API

3.1 通过 Foundation 框架的 NSObject 类定义的方法

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)

一些情况下，NSObject 类仅仅定义了完成某件事情的模板，并没有提供所需要的代码。例如 -description 方法，该方法返回类内容的字符串表示，该方法主要用来调试程序。NSObject 类并不知道子类的内容，所以它只是返回类的名字和对象的地址，NSObject 的子类可以重新实现。

还有一些 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方法返回对象的类；

-isKindOfClass: 和 -isMemberOfClass: 方法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)；

-respondsToSelector: 检查对象能否响应指定的消息；

-conformsToProtocol:检查对象是否实现了指定协议类的方法；

-methodForSelector: 返回指定方法实现的地址。

常见的一个例子：

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id 和 void * 转换API：(__bridge void *)

在 ARC 有效时，通过 (__bridge void *)转换 id 和 void * 就能够相互转换。为什么转换？这是因为objc_getAssociatedObject的参数要求的。先看一下它的API：

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可以知道，这个“属性名”的key是必须是一个void *类型的参数。所以需要转换。关于这个转换，下面给一个转换的例子：

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4. 运行时实战指南

上面的API不是提供大家背的，而是用来查阅的，当你要用到的时候查阅。因为这些原理和API光看没用，需要实战之后再回过头来查阅和理解。笔者另外写了runtime的原理与实践。如果想了解runtime的更多知识，可以加入扣扣裙：，每天分享干货！