Runtime相关知识点

Runtime知识结构

一、数据结构

数据结构

1.1、objc_object

objc_object

我们平常用的实例对象都是id类型，对应到runtime 中的objc_object。

• isa_t
  共用体
• 关于isa操作相关
  • 实例对象根据isa指针获取类对象。
  • 类对象根据isa指针获取元类对象。
• 弱引用相关
  • 标记一个对象是否曾经有弱引用指针。
• 关联对象
  • 设置关联属性的一些方法。
• 内存管理
  • MRC下的retain、release等方法。
  • ARC和MRC下用的autorelease方法。

1.2、objc_class

objc_class

我们平常用的类，对应到runtime中的objc_class。

• isa_t
  因为继承于objc_object，所以也有isa指针，用来指向类的元类对象。
• Class superClass
  父类对象
• cache_t cache
  方法缓存结构<消息传递会有涉及到>
• class_data_bits_t bits
  bit通过&FAST_DATA_MASK获取class_rw_t，class_rw_t包含方法、属性、协议。

问题1：Class这个类是否是一个对象呢？

解释：
是对象，因为Class对应runtime中的objc_class，objc_class继承于objc_object，所以被称为"类对象"。

1.3、isa指针

1.3.1、isa指针的概念

共用体isa_t

问题2：isa指针的含义

解释：

• 包含指针型isa和非指针型isa。
  • 指针型isa：isa的值代表Class地址。
  • 非指针型isa：isa的值的部分代表Class地址。
• 应用场景：
  • 32位架构用指针型的 64位架构用非指针型的。
  • 这是一种提升内存利用的一种手段。

1.3.2、isa指向

• 关于对象，其指向类对象。
  

  指向类对象

• 关于类对象，其指向元类对象。
  

  指向元类对象

1.4、cache_t

1.4.1、概念

• 用于快速查找方法执行函数。
• 是可增量扩展的哈希表结构。
• 是局部性原理的最佳应用。

1.4.2、结构

cache_t是一个结构体。

cache_t结构

可以理解为：

• 一个数组中有bucket_t。
• bucket_t是结构体。
• bucket_t包含两个成员变量：key、IMP。
• key就是我们使用的selector。
• 根据key + 哈希算法，可以快速查找IMP。

1.5、class_data_bits_t

• class_data_bits_t主要是对class_rw_t的封装。
• class_rw_t代表了类相关的读写信息、对class_ro_t的封装。
• class_ro_t代表了类相关的只读信息。

1.5.1、class_rw_t

class_rw_t

• methods、properties、protocols是runtime动态添加的。
  比如：分类中的方法会在运行时添加到methods中。
• methods、properties、protocols是可读可写的。
• methods、properties、protocols是二维数组。
• methods中存放有method_t对象。

1.5.2、class_ro_t

class_ro_t

• name指的是类名
• ivars指的是成员变量

• methods、properties、protocols是编译器内部生成的。
• methods、properties、protocols是只读。
• methods、properties、protocols是一维数组。
• methods中存放有method_t对象。

1.5.3、method_t

method_t

• SEL name
  方法名称
• const char* types
  返回值 + 参数
• IMP imp
  无类型的函数指针，指向函数体

1.5.3.1、Type Encodings

Type Encodings

• 不可变的字符指针
• 结构：返回值 + n个参数

实例分析：
-(void)aMethod;对应的Type Encodings
解析如下：

aMethod解析

• aMethod的types === v@:。
• v代表返回值是void，无返回值。
• @代表对象id。
• :代表SEl(方法)

注意：

• 这里的第一个参数和第二个参数是固定的，并且是不可变的。
• 因为对于OC方法的调用或者说消息传递，到达runtime层面，都会转换成objc_msgSend，它的前面两个参数就是固定的objc_msgSend(obj, sel/@selector(aMethod)/);**。

1.6、整体数据结构

整体数据结构

二、对象、类对象、元类对象

2.1、概念

• 类对象
  存储实例方法列表等信息。
• 元类对象
  存储类方法列表等信息。

2.2、isa指针指向图

isa指针指向图

isa指针

• instance实例对象 --> Class类对象
• Class类对象 --> meta元类对象
• meta元类对象 --> 根meta元类对象
• 根meta元类对象 --> 根meta元类对象(自己)

superclass指针

• Rootclass类对象 --> nil
• Superclass类对象 --> Rootclass类对象
• Subclass类对象 --> Superclass类对象
• 根meta元类对象 --> Rootclass类对象

问题3：类对象、元类对象分别是什么，有什么区别和联系？

• 概念
  类对象是存储实例方法列表等信息。
  元类对象是存储类方法列表等信息。
• isa指针指向图
  类对象的isa指针指向元类对象。
  元类对象的isa指针指向根元类对象。
  根元类对象的isa指针指向自己。

问题4：如果说调用的一个类方法，没有对应的实现；但是，有同名的实例方法实现，会不会产生崩溃或者实际调用？

• 由于根meta元类对象的superclass指针指向的是根类对象，如果在根元类对象中没有找到对应的类方法，就会去根类对象中去查找同名的实例方法。

问题5：笔试题

笔试题
解释：

• [self class]转换为objc_msgSend(self, @selector(class))
• [super class]转换为objc_msgSendSuper(super,@selector(class))
• [super class]虽然是super调用，但是super是一个结构体，里面包含一个id类型对象receiver，也就是当前对象。
• [self class]传递流程：在缓存中查找，没有➡️在类对象中查找，没有➡️在父类对象中查找，没有➡️在NSObject中查找，有，返回信息。
• [super class]传递流程：直接在父类对象中查找，没有➡️在NSObject中查找，有，返回信息。

三、消息传递

3.1、函数介绍

void objc_msgSend(void /* id self, SEL op, ... */ )

消息传递

备注：

• 这里有2个固定参数，一个消息接受者(id类型)，一个是方法选择器名称(SEL类型)，其它才是后续方法传递的参数。
• 当前的接受者就是：当前对象。

void objc_msgSendSuper(void /* struct objc_super *super, SEL op, ... */ )

Super 消息传递

备注：

• 这里有2个固定参数，一个是结构体类型指针(objc_super)，一个是方法选择器名称(SEL类型)，其它才是后续方法传递的参数。
• 因为objc_super内部有一个receiver(id类型)，就是当前对象；这个super就是编译器关键字。
• objc_msgSendSuper：是从父类对象的方法列表中开始查找；
  objc_msgSend：是从当前对象缓存列表中查找。

3.2、消息传递流程

消息传递过程

• 首先调用方法，查找缓存；如果有，就通过函数指针调用函数，完成方法调用。
  这里的缓存指的是类对象的缓存，是通过哈希查找。

• 如果缓存中没有对应方法，就会根据当前实例的isa指针去查找类对象的方法列表；如果有，就通过函数指针调用函数，完成方法调用。
  这里分二分查找和一般遍历查找。

• 如果当前类方法中没有对应方法，就会逐级父类方法列表中去查找，是通过superclass指针；如果有，就通过函数指针调用函数，完成方法调用。
  这里同样先去缓存查找，再去方法列表查找。

• 如果直到根类NSObject，都没有查到对应方法，就会进入消息转发流程。

四、消息传递三大步骤详解

4.1、缓存查找

给定值是SEL(方法选择器)，目标值是对应的bucket_t中的IMP。

缓存查找函数

• 从缓存查找对应的实现， 是哈希查找。
• SEL(方法选择器)就是key。
• 利用哈希算法，找到bucket_t，从而找到IMP。
• 哈希查找提高了查找效率。

4.2、当前类中查找

• 对于已排序好的列表，采用二分查找算法查找方法对应执行函数IMP。
• 对于没有排序的列表，采用一般遍历查找方法对应执行函数。

4.3、父类逐级查找

父类逐级查找

• 首先根据superclass指针查找有没有父类；没有父类，结束父类查找。
• 有父类，先去缓存查找；缓存查到了，就返回。
• 缓存没有查到，就去方法列表查找；方法列表查到了，就返回。
• 如果上面两步骤都没有查到，就接着查下一个父类。

五、消息转发

消息转发

这里主要讲的是实例方法的转发流程。

5.1、(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel

• 该方法是类方法。
• 参数是方法选择器(SEL类型)。
• 返回值是BOOL类型。
• 如果返回值是YES，代表解决了当前实例方法的实现，就结束了消息转发流程；如果返回值是NO，代表没有解决，继续消息转发。

5.2、(id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector

• 该方法是实例方法。
• 参数是方法选择器(SEL类型)。
• 返回值是一个对象，相当于指定的转发目标(自己不处理，让别人处理)。
• 如果指定了转发目标，就结束了消息转发流程；如果没有指定转发目标，继续消息转发。

5.3、(NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector

• 该方法是实例方法。
• 参数是方法选择器(SEL类型)。
• 返回值是一个NSMethodSignature对象，是对一个方法选择器的返回值类型，参数个数以及参数类型的封装。
• 如果返回了方法签名，则继续调用forwardInvocation；否则就被标记为消息无法处理。
  也就是常见的错误：unrecognized selector sent to instance 0x600000da1530。

5.4、(void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation

• 该方法是实例方法。
• 参数是NSInvocation。
• 无返回值。
• 如果这里面能够处理这条消息，消息转发流程就结束了。

六、Method-Swizzling

Method-Swizzling

主要代码如下：

//获取test方法
Method test = class_getInstanceMethod(self, @selector(test));
//获取otherTest方法
Method otherTest = class_getInstanceMethod(self, @selector(otherTest));
//交换两个方法的实现
method_exchangeImplementations(test, otherTest);

七、动态添加方法

class_addMethod(<#Class  _Nullable __unsafe_unretained cls#>, <#SEL  _Nonnull name#>, <#IMP  _Nonnull imp#>, <#const char * _Nullable types#>)

• 第一个参数：为哪个类添加方法。
• 第二个参数：方法选择器名称(SEL类型)。
• 第三个参数：函数指针
• 第四个参数：Type Encodings。

八、动态方法解析

问题6、你是否使用过@dynamic关键字？

解释：
也是借此考察运行时内容，因为使用@dynamic实际上是告诉编译器，自己来实现setter与getter方法，不自动生成。
这样声明的属性，即使你没有实现setter与getter方法，编译时，是不会报错的；但是当你使用到setter与getter方法时(运行时)，就会报错。

问题7：编译时语言与运行时语言的区别？

解释：

• 动态运行时，语言将函数决议推迟到运行时。
• 编译时，语言在编译期进行函数决议。

问题8: [obj foo]和obj_msgSend()函数之间有什么关系？

解释：
在经过编译器转换之后，就变成了obj_msgSend(obj，@selector(foo))，然后就开始了消息传递过程。

问题9：runtime如何通过Selector找到对应的IMP地址的？

解释：
考察的是消息传递机制。
查找当前实例对应类对象的缓存➡️查找类对象的方法列表➡️逐级查找父级方法列表。

问题10：能否向编译后的类增加实例变量？

解释：
考察的是runtime数据结构。
因为编译后的类，它已经完成了实例变量的布局，这个实例变量是存放在class_ro内部，这个是只读的，所以不能向编译后的类增加实例变量。
但是，可以向动态添加的类中添加实例变量。

问题11：函数调用与消息传递有怎样的区别？

解释：
考察消息传递机制

问题12：当我们调用一个方法没有实现的时候，系统是如何为我们实现消息转发过程的？

解释：
考察消息传递机制