1. 什么是Runtime机制
Runtime[1]是一套比较底层的C语言库, 由一系列函数和数据结构组成，包含了很多底层的C语言API。它主要是完成了Objective-C (OC)运行时的两件事：类的封装和消息传递。
本文从1. 类的封装管理 2.消息传递 总结在我学习中对Runtime的认识，随后总结我所能理解到的Runtime机制的优劣。
2. 类的封装
由于Runtime主要是用C语言来实现，因此可以看到Runtime.h中，大量使用了struct来描述对象和类，而也使用了许多方法来封装函数和结构体，这使得OC在运行中具有了面向对象的特性。
首先，OC的实例(Instance)，类(Class)以及相对应元类(metaClass)的继承体系如图
类的实例通过isa指针指向这个实例的Class，这个对象的Class中的isa指针则指向这个类的metaClass。当我们向一个实例发送消息，runtime会在这个实例isa指向的Class方法列表中查找方法；而向一个类发送消息时，会在该类的metaClass的方法列表中进行查找。
在这个继承体系的实现中，Runtime通过大量以class_,objc_为前缀的方法(例如下面的两个方法)来封装结构体和函数。使得使用者可以直接操作Class，添加方法，协议等，也可以操作成员变量和属性。
在此基础上，Runtime所实现最强大的功能是支持在程序运行的时候创建和修改类，实例操作函数[2]和运行时创建关联对象(Associated Object)。 例如：当我们想为Category增加成员变量时，可以利用以下两个函数，在运行时动态地增加成员变量：
void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
id objc_getAssociatedObject(id object, const void *key)
3. 消息传递
OC除了具有静态语言的特征之外，也具有动态语言的特性：动态类型(Dynamic typing),动态绑定(Dynamic binding)和动态加载(Dynamic loading)。Runtime机制使得这三个特性得以实现，让程序可以在运行时才判断其该有的行为，而不是像静态语言一样在编译时就确定了行为。
一个OC程序在运行时，除了在上文第2部分提到的，还主要在以下两个场景中运用了Runtime机制：结合动态绑定的类实现，结合动态类型的NSObject方法。三个方面互有关联，也有不同，流程如下：
3.1 结合动态绑定的类实现
首先，一个OC程序在调用一个方法时的流程如下：
发送消息 -> 动态方法决议机制 -> 消息转发
步骤一: 发送消息(Message)：若成功则调用方法，若失败且实现了动态方法决议机制则进入步骤二
步骤二:动态方法决议机制(Dynamic Method Resolution): 若成功则调用方法，若失败且实现了消息转发机制则进入Step 3
步骤三:消息转发(Messaging Forwarding): 如提供了消息转发，则不会有错误提示。不提供则报错
三个步骤执行是有先后顺序且不相关。下面通过顺序分析三个步骤来解释Runtime在其中的应用：
3.1.1 三个步骤完成调用方法
Step 1: 消息传递(Message)
OC程序运行时依赖消息传递来实现动态绑定的方法调用：当我们需要调用一个实例的方法，程序所做的是在运行时才确定向某个类的receiver发送消息，receiver在收到消息后，从自身的实现中通过@selector/SEL去寻找响应这条消息对应的IMP。
//默认带有两个隐形的参数 ，若有参数则为objc_msgSend(receiver, selector, arg1, ...)
[receiver messasge] -> objc_msgSend(receiver, selector)
在上面的转化中，objc_msgSend会通过receiver的isa指针找到receiver对应的类，再在该类或该类的父类(沿着继承体系继续向上查找，如图3.1)中的struct objc_cache *cache 和 struct objc_method_list ** methodLists寻找到所需方法。[3]
在objc_msgSend函数中。首先通过obj的isa指针找到obj对应的class。在Class中先去cache中 通过SEL查找对应函数method（猜测cache中method列表是以SEL为key通过hash表来存储的，这样能提高函数查找速度）
若 cache中未找到。再去methodList中查找，若methodlist中未找到，则取superClass中查找。若能找到，则将method加 入到cache中，以方便下次查找，并通过method中的函数指针跳转到对应的函数中去执行。
Step 2: 动态方法决议机制(Dynamic Method Resolution)
这个机制是在当在子类到父类都寻找不到对应的方法时，让我们能够在运行时动态地为一个selector提供实现。依赖NSObject.h中的如下方法为类或实例增加新的类方法或实例方法。
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_5, __IPHONE_2_0);
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_5, __IPHONE_2_0);
Step 3: 消息转发(Messaging Forwarding)
Runtime会把消息有关的全部细节都封装到NSInvocation对象中，再给receiver最后一次机会，令其设法解决当前还未处理的这条消息。
Runtime会通过回调一个类方法来寻求动态添加方法的支持。如果receiver仍然无法正常响应，则Runtime会继续向receiver询问是否有其它对象可以处理这条消息，若返回能够处理的对象，Runtime会把消息转给返回的对象，消息转发流程也就结束。
3.1.2 利用Method Implementations(IMP)直接调用方法实现
之前在3.1.1中提到了消息传递过程中通过@selector/SEL去查找消息对应的IMP。而我们也可以通过IMP省去Runtime消息传递过程中的查找操作。
先看看Runtime.h中可以看到关于一个方法的结构定义如下，这个结构实际上完成了SEL和对应IMP的一个映射
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE;
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;
}
method_types：char指针，存储着方法的参数类型和返回值类型。
SEL：一个Int类型的一个地址，地址中存放着方法的名字，它仅仅和方法名相关。因此不同类中可能存在拥有相同SEL的方法。工程中所有的SEL形成了一个Set。我的理解这个Set的存在是为了提高方法的查询速度。
IMP：它本质可以说是一个函数指针，即方法代码的入口点，定义如下:
id (*IMP)(id, SEL, ...)
因此IMP也可以在当一个消息要被发送给某个对象很多次的时候直接调用(例如下例在for循环中调用多次setFill:，直接使用NSObject类中的methodForSelector:可以获得一个指向方法实现的指针来进行优化)。 这样省去了Runtime消息传递时的查找操作，会比直接向对象发送消息高效一些。
3.2 结合动态类型的NSObject方法
由于大部分的对象都是由NSObject继承而来。因此也继承了了NSObject的属性和内存分配方法(如下)，这些方法均用于在运行时取得信息的方法。
- (BOOL)isKindOfClass:(Class)aClass;
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)aClass;
- (BOOL)conformsToProtocol:(Protocol *)aProtocol;
动态特性的灵活使得id类型在Protocol-Delegate的实现中也大量被使用，主要是把delegate指针类型定义为id，从而使得运行时实现动态替换。
4. Runtime的应用
借用 https://www.jianshu.com/p/ab966e8a82e2 的图
4.1 动态添加一个类（KVO的能够实现也依赖于这个特性）
4.2 字典转模型 & 自动归档解档
4.3 动态交换类方法/对象方法/系统方法
5. Runtime机制的优劣
优点：更加灵活。
Runtime环境注册所有全局的类，函数，变量等等信息等等，我们可以无限的为这个层增加必要的功能，写代码时更具灵活性。调用函数时候，会先从这个运行时环境里检测所以所有的可能，而并不是JMP到一个非法地址就一定会Crash。这就极大增加了程序的灵活性。
缺点：增加损耗。
很显然Runtime的机制带来了CPU计算的损耗。而也可以看出Runtime机制为了提高效率也设计了SEL, objc_cache *cache来缓存使用过的selector及对应的方法的地址等方法，从而提高效率。
5. Reference
[1] AppleRuntime Guide
[2] Objective-C Runtime 运行时之一：类与对象
[5] Understanding the Objective-C Runtime
[7] Objective-C 与 Runtime：为什么是这样？
https://www.jianshu.com/p/ab966e8a82e2
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