Runtime

从接触iOS就知道runtime，开始的时候一知半解，随着自己知识的深入，渐渐发现每次看runtime的源码都有新的认识和更深的理解，这里就对自己的认知做一个总结。

1、什么是runtime

Objective-C是一门扩充C的面向对象的编程语言，它是C语言的超集。是一门动态语言，它把一些工作从编译期推迟到了运行时。这就需要一个运行时系统来动态创建类和对象、进行消息的传递和转发。苹果的runtime代码是开源的在这里这个代码不能直接运行要配置好多东西。你可以下载这个可以直接运行使用.

2、runtime的消息发送/转发机制

Objective-C中的方法调用其实就是向对象发送消息

 [object message]

这句话的含义就是向object 发送一条名为message的消息，而在runtime里面是这样的。使用 clang -rewrite-objc main.m你会得到下面这个方法

((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)object, sel_registerName("message"));

去掉那些不必要的，得到下面这样一个方法（下面的（1）），查看rumtime的源码你会看到sel_registerName是这样的一个方法（下面的（2））这个方法的返回值是个SEL类型，它是selector在Objc中的表示类型，selector是一个方法选择器，实际上也就是一个方法名，runtime通过名字来找到对应的方法进行调用

（1）objc_msgSend(object, sel_registerName("message")
（2）SEL sel_registerName(const char *name)

接下来会进行消息的发送，查找这个类的IMP
（1）通过object的isa找到它的class
（2）从本类的cache（这个是Class里面的方法列表的缓存，后面会讲）中找
（3）cache中找不到就会在本类的方法列表（method_list_t）里面找，
（4）如果还没有就往父级寻找，一直找到NSObject为止
（5）如果还没找到就进入动态方法解析和转发
（6）如果还没有，最后抛出异常

动态方法解析

首先，runtime会调用+resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod:让你可以动态的提供一个函数的实现，在这里如果你提供了实现，返回YES那么runtime就会重新进行一次消息的发送过程。

- (void)resolveMessage{
    NSLog(@"message");
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
    if (sel == @selector(message)) {
        IMP resolveIMP = class_getMethodImplementation([self class], @selector(resolveMessage));
        class_addMethod([self class], sel, resolveIMP, "v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

上面的例子利用runtime为message添加了resolveMessage方法。当然你也可以根据需要进行传参。其中的最后一个参数"v@:"，请参考这里，至于resolveClassMethod同理。如果没有实现return NO 就会进入下一步的消息转发

重定向

如果该对象实现了- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector方法，runtime会调用此方法给你一次把该消息转发给其他对象的机会，只要这个对象内部实现了message方法，就会调用它的message方法

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
    if(aSelector == @selector(message)){
        return otherObj;
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

只要这个方法返回的不是nil和self，整个消息发送过程就会重新发送，消息的发送对象就会是otherObj。否则会进入下一步的消息转发

消息转发

在这里runtime给了最后一次挽救的机会，首先会发送-methodSignatureForSelector:，如果这个函数返回nil，runtime就会发出-doesNotRecognizeSelector:消息，这个时候程序就会crash掉报错信息为

unrecognized selector sent to instance 0x60000000dbe0

如果返回了一个NSMethodSignature，runtime就会创建一个NSInvocation对象并发送消息-forwardInvocation:

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
    return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
}
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{    
    if ([otherObj respondsToSelector:anInvocation.selector]) {
        [anInvocation invokeWithTarget:otherObj];
    }else{
        [super forwardInvocation:anInvocation];
    }
}

这里要注意一点，如果你不重写-methodSignatureForSelector:方法，或者此方法中直接return [super methodSignatureForSelector:aSelector]这个时候-forwardInvocation:方法是不会调用到的。这里其实是由于，runtime会在-forwardInvocation:之前调用-methodSignatureForSelector:方法获取NSMethodSignature 对象，用于生成NSInvocation。

3、Runtime中主要的数据结构

Class

Class在runtime中的定义是一个objc_class结构体，继承于objc_object，在objc_object之中只有一个isa指针，每个对象都有isa指针，指向对象的类。

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
//省略!__OBJC2__中的其它代码
} OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
    class_rw_t *data() { 
        return bits.data();
    }

那么我们通过源码的定义，不难看出在Object-C中，Class本身也是一个对象，它也有自己的isa指针，那么这个指针是指向哪里的呢？实际上每个Class都有自己的meta-class（元类），Class的isa指针都指向自己的meta-class 。问题又来了，那meta-class的isa指针怎么办呢。在runtime里面还有个root meta-class根元类，meta-class的isa指针指向root meta-class，root meta-class的isa指向自身，这样就形成了一个完整的闭环。

Class
cache 是调用的方法的缓存列表，苹果为了优化性能，做了这个cache。每次对象收到消息的时候会优先在cache里面查找，这样会提高效率。runtime会把调用过的方法加入cache中。
class_rw_t
class_rw_t 提供了runtime对类扩展的能力，内部包含有class_ro_t ，这里的用的const修饰，就表明了它在编译期就已经确定，运行时里面不能再做更改。从这里也能看出来，运行时可以动态添加的有，方法、属性、协议

struct class_rw_t {
    // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
    uint32_t flags;
    uint32_t version;
    const class_ro_t *ro;
    method_array_t methods;//方法列表
    property_array_t properties;//属性列表
    protocol_array_t protocols;//协议列表

    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;
    char *demangledName;
};

class_ro_t
那我们再来看一下class_ro_t里面都有啥呢

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif

    const uint8_t * ivarLayout;
    
    const char * name;
    method_list_t * baseMethodList;//主类方法列表
    protocol_list_t * baseProtocols;//主类里面的协议
    const ivar_list_t * ivars;//实例变量

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;

    method_list_t *baseMethods() const {
        return baseMethodList;
    }
};

baseMethodList 放的是方法列表，不过前缀是base，这个跟clss_ro_t里面的就有区别了，这个指的是，主类里面的方法列表。同理下面的baseProtocols里面放的是主类里面放的协议。（主类其实就是，比如你创建个class，这个class里面的方法，类扩展里的方法就不再这个方法列表里面）Category我们后面详细讲。再接着往下看，又一个const修饰的，ivars，这个里面放的就是实例变量。看到这你应该明白了，为什么Category里面不能添加实例变量了吧。
Category
下面我们来看一下Category

struct category_t {
    const char *name;
    classref_t cls;
    struct method_list_t *instanceMethods;//实例方法列表
    struct method_list_t *classMethods;//类方法列表
    struct protocol_list_t *protocols;//协议列表
    struct property_list_t *instanceProperties;//属性劣列表
    // Fields below this point are not always present on disk.
    struct property_list_t *_classProperties;//类属性列表

    method_list_t *methodsForMeta(bool isMeta) {
        if (isMeta) return classMethods;
        else return instanceMethods;
    }
    property_list_t *propertiesForMeta(bool isMeta, struct header_info *hi);
};

这里提一下类属性，象下面这样，用的时候直接用Class.name

@property (nonatomic,   copy, class) NSString *name;

Category中的属性，方法等是在运行时的时候才动态加载的，而Category被附加到类上面是在map_images的时候发生的。关于Category的详解可以看这里，美团的博客写的很详细。

4、总结与应用

在我们日常的开发中可能用到的也不多，另外runtime也不能滥用，这样很容易导致一些莫名其妙的问题，而且你会很难定位原因。
JSpatch中的使用
我们都知道JSpatch是用来热修复的，通过使用 JavaScript 调用任何 Objective-C 原生接口，获得脚本语言的优势：为项目动态添加模块，或替换项目原生代码动态修复 bug
JSpatch中主要用到以下三点：
1、在Object-C 上所有方法的调用/类的生成都通过 Objective-C Runtime 在运行时进行，我们可以通过类名/方法名反射得到相应的类和方法；
2、利用Runtime动态替换某个类的方法，主要用到class_replaceMethod方法
3、利用Runtime新增一个类，为类添加方法主要用到objc_registerClassPair(cls)和class_addMethod()方法