深入浅出 Runtime详解

Runtime是什么？

• 运行时(Runtime)是指将数据类型的确定由编译时推迟到了运行时
• Runtime是一套比较底层的纯C语言API, 属于1个C语言库, 包含了很多底层的C语言API
• 平时编写的OC代码，在程序运行过程中，其实最终会转换成Runtime的C语言代码，Runtime是Object-C的幕后工作者
• Object-C需要Runtime来创建类和对象，进行消息发送和转发

特性： 编写的代码具有运行时、动态特性

Runtime用来干什么？用在哪些地方？

用来干什么 基本作用

• 在程序运行过程中，动态的创建类，动态添加、修改这个类的属性和方法；
• 遍历一个类中所有的成员变量、属性、以及所有方法
• 消息传递、转发

用在哪些地方 Runtime的典型事例

• 给系统分类添加属性、方法
• 方法交换
• 获取对象的属性、私有属性
• 字典转换模型
• KVC、KVO
• 归档(编码、解码)
• NSClassFromString class<->字符串
• block
• 类的自我检测
• ...

Runtime的定义

Runtime开源代码

在Object-C中的NSObject对象中

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}

上述表述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

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
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;

由此可见可以看到Class、id 前者是类，后者指向类的指针，id是指向objc_object的一个指针，而objc_object有个isa指向objc_class的一个指针
So,不管id，还是Class最后指向的都是objc_class这个结构体
objc_class结构体中的定义如下：

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

在runtime使用当中，我们经常需要用到的字段，它们的定义

• isa Class对象，指向objc_class结构体的指针，也就是这个Class的MetaClass(元类)
  - 类的实例对象的 isa 指向该类;该类的 isa 指向该类的 MetaClass
  - MetaCalss的isa对象指向RootMetaCalss
  - 如果MetaClass是RootMetaCalss，那么该MetaClass的isa指针指向它自己
• super_class Class对象指向父类对象
  - 如果该类的对象已经是RootClass，那么这个super_class指向nil
  - MetaCalss的SuperClass指向父类的MetaCalss
  - MetaCalss是RootMetaCalss，那么该MetaClass的SuperClass指向该对象的RootClass

一张图可以完美的解释这个知识点

• ivars 类中所有属性的列表，使用场景：我们在字典转换成模型的时候需要用到这个列表找到属性的名称，去取字典中的值，KVC赋值，或者直接Runtime赋值

• methodLists 类中所有的方法的列表，类中所有方法的列表，使用场景：如在程序中写好方法，通过外部获取到方法名称字符串，然后通过这个字符串得到方法，从而达到外部控制App已知方法。

• cache 主要用于缓存常用方法列表，每个类中有很多方法，我平时不用的方法也会在里面，每次运行一个方法，都要去methodLists遍历得到方法，如果类的方法不多还行，但是基本的类中都会有很多方法，这样势必会影响程序的运行效率，所以cache在这里就会被用上，当我们使用这个类的方法时先判断cache是否为空，为空从methodLists找到调用，并保存到cache，不为空先从cache中找方法，如果找不到在去methodLists，这样提高了程序方法的运行效率

• protocols 故名思义，这个类中都遵守了哪些协议，使用场景：判断类是否遵守了某个协议上

深入Runtime的运行原理

当我写到深入Runtime的运行原理的时候,脑海中冒出的想法是怎么深入，从哪里开始挖掘runtime的内容：

第一个想法就是

• 介绍runtime的几个方法
• runtime的使用方法
• runtime的实际操作场景、应用
• runtime的总结

如果说这些就是深入runtime，就是调用下api

然后想了很久，每次都会想就直接介绍使用，总结完事；心里贼不得劲
不能就这么简简单单了事，那么开始想到哪点，深入做哪点深入

大纲（后续会补充）：

• 类底层代码、类的本质？
• 类底层是如何调用方法？
• Runtime消息传递
• Runtime消息转发
• Runtime起到了什么作用？
• Runtime实际应用

类底层代码、类的本质？

为了更好的认识类是怎么工作的，我们将要将一段Object-C的代码用clang看下底层的C/C++的写法

typedef enum : NSUInteger {
    ThisRPGGame = 0,
    ThisActionGame = 1,
    ThisBattleFlagGame = 2,
} ThisGameType;


@interface Game : NSObject
@property (copy,nonatomic)NSString *Name;
@property (assign,nonatomic)ThisGameType Type;
@end

@implementation Game
@synthesize Name,Type;

- (void)GiveThisGameName:(NSString *)name{
    Name = name;
}

- (void)GiveThisGameType:(ThisGameType)type{
    Type = type;
}

@end

使用命令，在当前文件夹中会出现Game.cpp的文件

# clang -rewrite-objc Game.m

Game.cpp
由于生成的文件很庞大，可以仔细去研读，受益匪浅

研读方式：如果按照从上往下的顺序去研读，会很不理解，所以我的研读方式从关键点切入首先理解关键的几点，然后在慢慢抛析

/*
 * 顾名思义存放property的结构体
 * 当我们使用perproty的时候，会生成这样一个结构体
 * 具体存储的数据为 
 * 实际内容："Name","T@\"NSString\",C,N,VName" 
 * 原型：@property (copy,nonatomic)NSString *Name;
 * 这个具体是怎么实现的，我会在后面继续深入研究，本文主要来理解runtime的理解
 **/
struct _prop_t {
    const char *name;        //名字
    const char *attributes;  //属性
};

/*
 *类中方法的结构体,cmd和imp的关系是一一对应的关系
 *创建对象生成isa指针，指向这个对象的结构体时 
 *同时生成了一个表"Dispatch table"通过这个_cmd的编号找到对应方法
 *使用场景：
 *例如方法交换，方法判断。。。
 **/ 
struct _objc_method {
    struct objc_selector * _cmd;   //SEL 对应着OC中的@selector()
    const char *method_type;       //方法的类型
    void  *_imp;                   //方法的地址
}; 


/*
 * method_list_t 结构体：
 * 原型：
 * - (void)GiveThisGameName:(NSString *)name；
 * 实际存储的方式：
 * {(struct objc_selector *)"GiveThisGameName:", "v24@0:8@16", (void *)_I_Game_GiveThisGameName_}
 * 其主要目的是存储一个数组，基本的数据类型是 _objc_method
 * 扩展：当然这其中有你的属性，自动生成的setter、getter方法
 **/
 
static struct _method_list_t {
    unsigned int entsize;  // sizeof(struct _objc_method)
    unsigned int method_count;
    struct _objc_method method_list[6];
}

/*
 * 表示这个类中所遵守的协议对象
 * 使用场景：
 * 判断类是否遵守这个协议，从而动态添加、重写、交换某些方法，来达到某些目的
 * 
 **/

struct _protocol_t {
    void * isa;  // NULL
    const char *protocol_name;
    const struct _protocol_list_t * protocol_list; // super protocols
    const struct method_list_t *instance_methods;  // 实例方法
    const struct method_list_t *class_methods;     //类方法
    const struct method_list_t *optionalInstanceMethods;  //可选的实例方法
    const struct method_list_t *optionalClassMethods;  //可选的类方法
    const struct _prop_list_t * properties;  //属性列表
    const unsigned int size;  // sizeof(struct _protocol_t)
    const unsigned int flags;  // = 0
    const char ** extendedMethodTypes;  //扩展的方法类型
};

/*
 * 类的变量的结构体
 * 原型：
 * NSString *Name;
 * 存储内容：
 * {(unsigned long int *)&OBJC_IVAR_$_Game$Name, "Name", "@\"NSString\"", 3, 8}
 * 根据存储内容可以大概了解这些属性的工作内容
 **/
struct _ivar_t {
    unsigned long int *offset;  // pointer to ivar offset location
    const char *name;  //名字
    const char *type;  //属于什么变量
    unsigned int alignment; //未知
    unsigned int  size;    //大小
};


/*
 *  这个就是类中的各种方法、属性、等等信息
 *  底层也是一个结构体
 *  名称、方法列表、协议列表、变量列表、layout、properties。。
 *  
 **/
struct _class_ro_t {
    unsigned int flags;
    unsigned int instanceStart;
    unsigned int instanceSize;
    unsigned int reserved;
    const unsigned char *ivarLayout;  //布局
    const char *name;  //名字
    const struct _method_list_t *baseMethods;//方法列表 
    const struct _objc_protocol_list *baseProtocols; //协议列表
    const struct _ivar_list_t *ivars;  //变量列表
    const unsigned char *weakIvarLayout;  //弱引用布局
    const struct _prop_list_t *properties;  //属性列表
};

/*
 * 类本身
 * oc在创建类的时候都会创建一个 _class_t的结构体
 * 我的理解是在runtime中的object-class结构体在底层就会变成_class_t结构体
 **/
struct _class_t {
    struct _class_t *isa;  //元类的指针
    struct _class_t *superclass; //父类的指针
    void *cache;   //缓存
    void *vtable;  //表信息、未知
    struct _class_ro_t *ro;  //这个就是类中的各种方法、属性、等等信息
};


/*
 * 类扩展的结构体
 * 在OC中写的类扩展
 **/
struct _category_t {
    const char *name;  //名称
    struct _class_t *cls;  //这个是哪个类的扩展
    const struct _method_list_t *instance_methods;  //实例方法列表
    const struct _method_list_t *class_methods;     //类方法列表
    const struct _protocol_list_t *protocols;       //协议列表
    const struct _prop_list_t *properties;          //属性列表
};

上述是Object-C中类中基本的数据，了解了类的定义，我们基本可以这么理解，类就是多个结构体组合的一个集合体，类中的行为、习惯、属性抽象，按照机器能懂的数据存储到我们底层的结构体当中，在我们需要使用的时候直接获取使用。

那么就开始研究一下，类是如何使用，类的基本使用过程以及过程中runtime所做的事情。

类底层是如何调用方法？

了解了类的组成，那么类是通过什么样的形式去获取方法属性并得到应用?
在Object-C开发中我们经常会说到，对象调用方法，其本质就是想这个对象发送消息，为什么会有这么一说？下面我们来验证一下

Object-C代码

int main(int argc, char * argv[]) {

    Game *game = [Game alloc];
    [game init];
    [game Play];
    return  0;
}

底层代码的实现

int main(int argc, char * argv[]) {

    Game *game = ((Game *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Game"), sel_registerName("alloc"));
    game = ((Game *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)game, sel_registerName("init"));
    ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)game, sel_registerName("Play"));
    return 0;
}

代码中使用了

• objc_msgSend 消息发送
• objc_getClass 获取对象
• sel_registerName 获取方法的SEL

因为目前重点是objc_msgSend，其他的Runtime的方法会在后面继续一一道来, So 一个对象调用其方法，在Object-C中就是向这个对象发送一条消息，消息的格式

objc_msgSend("对象","SEL","参数"...)
objc_msgSend( id self, SEL op, ... )

待续
消息机制

总结

Rumtime是Objective-C语言动态的核心，Objective-C的对象一般都是基于Runtime的类结构，达到很多在编译时确定方法推迟到了运行时，从而达到动态修改、确定、交换...属性及方法