IOS高级工程师成长之路 -- 中级篇《runtime详解》

作者: IT小菜逼 | 来源:发表于2018-10-07 23:38 被阅读0次

Runtime的特性主要是消息(方法)传递，如果消息(方法)在对象中找不到，就进行转发，具体怎么实现的呢。我们从下面几个方面探寻Runtime的实现机制。

Runtime介绍
Runtime消息传递
Runtime消息转发
Runtime应用

Runtime介绍

Runtime消息传递

一个对象的方法像这样[obj foo]，编译器转成消息发送objc_msgSend(obj, foo)，Runtime时执行的流程是这样的：

首先，通过obj的isa指针找到它的 class ;
在 class 的 method list 找 foo ;
如果 class 中没到 foo，继续往它的 superclass 中找 ;
一旦找到 foo 这个函数，就去执行它的实现IMP 。

但这种实现有个问题，效率低。但一个class 往往只有 20% 的函数会被经常调用，可能占总调用次数的 80% 。每个消息都需要遍历一次objc_method_list 并不合理。如果把经常被调用的函数缓存下来，那可以大大提高函数查询的效率。这也就是objc_class 中另一个重要成员objc_cache 做的事情 - 再找到foo 之后，把foo 的method_name 作为key ，method_imp作为value 给存起来。当再次收到foo 消息的时候，可以直接在cache 里找到，避免去遍历objc_method_list。从前面的源代码可以看到objc_cache是存在objc_class 结构体中的。

Runtime消息转发

前文介绍了进行一次发送消息会在相关的类对象中搜索方法列表，如果找不到则会沿着继承树向上一直搜索知道继承树根部（通常为NSObject），如果还是找不到并且消息转发都失败了就回执行doesNotRecognizeSelector:方法报unrecognized selector错。那么消息转发到底是什么呢？接下来将会逐一介绍最后的三次机会。

动态方法解析
备用接收者
完整消息转发

3333333.png

动态方法解析

首先，Objective-C运行时会调用 +resolveInstanceMethod:或者 +resolveClassMethod:，让你有机会提供一个函数实现。如果你添加了函数并返回YES，那运行时系统就会重新启动一次消息发送的过程。
实现一个动态方法解析的例子如下：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    //执行foo函数
    [self performSelector:@selector(foo:)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(foo:)) {//如果是执行foo函数，就动态解析，指定新的IMP
        class_addMethod([self class], sel, (IMP)fooMethod, "v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

void fooMethod(id obj, SEL _cmd) {
    NSLog(@"Doing foo");//新的foo函数
}

打印结果：
2018-04-01 12:23:35.952670+0800 ocram[87546:23235469] Doing foo

可以看到虽然没有实现foo:这个函数，但是我们通过class_addMethod动态添加fooMethod函数，并执行fooMethod这个函数的IMP。从打印结果看，成功实现了。
如果resolve方法返回 NO ，运行时就会移到下一步：forwardingTargetForSelector。

备用接收者

如果目标对象实现了-forwardingTargetForSelector:，Runtime 这时就会调用这个方法，给你把这个消息转发给其他对象的机会。

实现一个备用接收者的例子如下：

#import "ViewController.h"
#import "objc/runtime.h"

@interface Person: NSObject

@end

@implementation Person

- (void)foo {
    NSLog(@"Doing foo");//Person的foo函数
}

@end

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    //执行foo函数
    [self performSelector:@selector(foo)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    return YES;//返回YES，进入下一步转发
}

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(foo)) {
        return [Person new];//返回Person对象，让Person对象接收这个消息
    }
    
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

@end

打印结果：
2018-04-01 12:45:04.757929+0800 ocram[88023:23260346] Doing foo

可以看到我们通过forwardingTargetForSelector把当前ViewController的方法转发给了Person去执行了。打印结果也证明我们成功实现了转发。

完整消息转发

如果在上一步还不能处理未知消息，则唯一能做的就是启用完整的消息转发机制了。
首先它会发送-methodSignatureForSelector:消息获得函数的参数和返回值类型。如果-methodSignatureForSelector:返回nil ，Runtime则会发出 -doesNotRecognizeSelector: 消息，程序这时也就挂掉了。如果返回了一个函数签名，Runtime就会创建一个NSInvocation 对象并发送 -forwardInvocation:消息给目标对象。

实现一个完整转发的例子如下：

#import "ViewController.h"
#import "objc/runtime.h"

@interface Person: NSObject

@end

@implementation Person

- (void)foo {
    NSLog(@"Doing foo");//Person的foo函数
}

@end

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    //执行foo函数
    [self performSelector:@selector(foo)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    return YES;//返回YES，进入下一步转发
}

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    return nil;//返回nil，进入下一步转发
}

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"foo"]) {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];//签名，进入forwardInvocation
    }
    
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    SEL sel = anInvocation.selector;

    Person *p = [Person new];
    if([p respondsToSelector:sel]) {
        [anInvocation invokeWithTarget:p];
    }
    else {
        [self doesNotRecognizeSelector:sel];
    }

}

@end

打印结果：
2018-04-01 13:00:45.423385+0800 ocram[88353:23279961] Doing foo

从打印结果来看，我们实现了完整的转发。通过签名，Runtime生成了一个对象anInvocation，发送给了forwardInvocation，我们在forwardInvocation方法里面让Person对象去执行了foo函数。签名参数v@:怎么解释呢，这里苹果文档Type Encodings有详细的解释。

Runtime应用

Runtime简直就是做大型框架的利器。它的应用场景非常多，下面就介绍一些常见的应用场景。

关联对象(Objective-C Associated Objects)给分类增加属性
方法魔法(Method Swizzling)方法添加和替换和KVO实现
消息转发(热更新)解决Bug(JSPatch)
实现NSCoding的自动归档和自动解档
实现字典和模型的自动转换(MJExtension)

关联对象(Objective-C Associated Objects)给分类增加属性

我们都是知道分类是不能自定义属性和变量的。下面通过关联对象实现给分类添加属性。

关联对象Runtime提供了下面几个接口：

//关联对象
void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
//获取关联的对象
id objc_getAssociatedObject(id object, const void *key)
//移除关联的对象
void objc_removeAssociatedObjects(id object)

参数解释

id object：被关联的对象
const void *key：关联的key，要求唯一
id value：关联的对象
objc_AssociationPolicy policy：内存管理的策略

内存管理的策略

typedef OBJC_ENUM(uintptr_t, objc_AssociationPolicy) {
    OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN = 0,           /**< Specifies a weak reference to the associated object. */
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC = 1, /**< Specifies a strong reference to the associated object. 
                                            *   The association is not made atomically. */
    OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC = 3,   /**< Specifies that the associated object is copied. 
                                            *   The association is not made atomically. */
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN = 01401,       /**< Specifies a strong reference to the associated object.
                                            *   The association is made atomically. */
    OBJC_ASSOCIATION_COPY = 01403          /**< Specifies that the associated object is copied.
                                            *   The association is made atomically. */
};

下面实现一个UIView的Category添加自定义属性defaultColor。

#import "ViewController.h"
#import "objc/runtime.h"

@interface UIView (DefaultColor)

@property (nonatomic, strong) UIColor *defaultColor;

@end

@implementation UIView (DefaultColor)

@dynamic defaultColor;

static char kDefaultColorKey;

- (void)setDefaultColor:(UIColor *)defaultColor {
    objc_setAssociatedObject(self, &kDefaultColorKey, defaultColor, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}

- (id)defaultColor {
    return objc_getAssociatedObject(self, &kDefaultColorKey);
}

@end

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    
    UIView *test = [UIView new];
    test.defaultColor = [UIColor blackColor];
    NSLog(@"%@", test.defaultColor);
}

@end

打印结果：
2018-04-01 15:41:44.977732+0800 ocram[2053:63739] UIExtendedGrayColorSpace 0 1

方法魔法(Method Swizzling)方法添加和替换和KVO实现

方法添加
实际上添加方法刚才在讲消息转发的时候，动态方法解析的时候就提到了。

//class_addMethod(Class  _Nullable __unsafe_unretained cls, SEL  _Nonnull name, IMP  _Nonnull imp, const char * _Nullable types)
class_addMethod([self class], sel, (IMP)fooMethod, "v@:");

cls 被添加方法的类
name 添加的方法的名称的SEL
imp 方法的实现。该函数必须至少要有两个参数，self,_cmd
类型编码

方法替换
下面实现一个替换ViewController的viewDidLoad方法的例子。

@implementation ViewController

+ (void)load {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        Class class = [self class];
        SEL originalSelector = @selector(viewDidLoad);
        SEL swizzledSelector = @selector(jkviewDidLoad);
        
        Method originalMethod = class_getInstanceMethod(class,originalSelector);
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(class,swizzledSelector);
        
        //judge the method named  swizzledMethod is already existed.
        BOOL didAddMethod = class_addMethod(class, originalSelector, method_getImplementation(swizzledMethod), method_getTypeEncoding(swizzledMethod));
        // if swizzledMethod is already existed.
        if (didAddMethod) {
            class_replaceMethod(class, swizzledSelector, method_getImplementation(originalMethod), method_getTypeEncoding(originalMethod));
        }
        else {
            method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
        }
    });
}

- (void)jkviewDidLoad {
    NSLog(@"替换的方法");
    
    [self jkviewDidLoad];
}

- (void)viewDidLoad {
    NSLog(@"自带的方法");
    
    [super viewDidLoad];
}

@end

swizzling应该只在+load中完成。在 Objective-C 的运行时中，每个类有两个方法都会自动调用。+load 是在一个类被初始装载时调用，+initialize 是在应用第一次调用该类的类方法或实例方法前调用的。两个方法都是可选的，并且只有在方法被实现的情况下才会被调用。

swizzling应该只在dispatch_once 中完成,由于swizzling 改变了全局的状态，所以我们需要确保每个预防措施在运行时都是可用的。原子操作就是这样一个用于确保代码只会被执行一次的预防措施，就算是在不同的线程中也能确保代码只执行一次。Grand Central Dispatch 的 dispatch_once满足了所需要的需求，并且应该被当做使用swizzling 的初始化单例方法的标准。

KVO实现

全称是Key-value observing，翻译成键值观察。提供了一种当其它对象属性被修改的时候能通知当前对象的机制。再MVC大行其道的Cocoa中，KVO机制很适合实现model和controller类之间的通讯。

KVO的实现依赖于 Objective-C 强大的 Runtime，当观察某对象 A 时，KVO 机制动态创建一个对象A当前类的子类，并为这个新的子类重写了被观察属性 keyPath 的 setter 方法。setter 方法随后负责通知观察对象属性的改变状况。

Apple 使用了 isa-swizzling 来实现 KVO 。当观察对象A时，KVO机制动态创建一个新的名为：NSKVONotifying_A的新类，该类继承自对象A的本类，且 KVO 为 NSKVONotifying_A 重写观察属性的 setter 方法，setter 方法会负责在调用原 setter 方法之前和之后，通知所有观察对象属性值的更改情况。

消息转发(热更新)解决Bug(JSPatch)

实现NSCoding的自动归档和自动解档

原理描述：用runtime提供的函数遍历Model自身所有属性，并对属性进行encode和decode操作。
核心方法：在Model的基类中重写方法：

- (id)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder {
    if (self = [super init]) {
        unsigned int outCount;
        Ivar * ivars = class_copyIvarList([self class], &outCount);
        for (int i = 0; i < outCount; i ++) {
            Ivar ivar = ivars[i];
            NSString * key = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
            [self setValue:[aDecoder decodeObjectForKey:key] forKey:key];
        }
    }
    return self;
}

- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder {
    unsigned int outCount;
    Ivar * ivars = class_copyIvarList([self class], &outCount);
    for (int i = 0; i < outCount; i ++) {
        Ivar ivar = ivars[i];
        NSString * key = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
        [aCoder encodeObject:[self valueForKey:key] forKey:key];
    }
}

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