聊一聊runtime

什么是runtime

runtime是运行时，提供了一套C语言的API，帮助Objective-C实现动态性

isa

 # if __arm64__
 #   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
 #   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
 #   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
 #   define ISA_BITFIELD \
      uintptr_t nonpointer        : 1;
      uintptr_t has_assoc         : 1; 
      uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
      uintptr_t shiftcls          : 33;/*MACH_VM_MAX_ADDRESS0x1000000000*/
      uintptr_t magic             : 6;
      uintptr_t weakly_referenced : 1;
      uintptr_t deallocating      : 1;
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
      uintptr_t extra_rc          : 19
 #   define RC_ONE   (1ULL<<45)
 #   define RC_HALF  (1ULL<<18)

image.png

类对象元类对象的地址最后三位永远都是0
isa&ISA_MASK的原因：其中33位是shiftcls，存储着Class,Meta-Class对象的内存地址。
描述：
arm64之后，isa经过了优化，使用共用体的方式存储，讲一个64位的数据划分为不同的位域分别存储了很多东西，其中33位存储了类和元类的地址。
位域：所谓“位域”是把一个字节中的二进位划分为几 个不同的区域， 并说明每个区域的位数。每个域有一个域名，允许在程序中按域名进行操作。 这样就可以把几个不同的对象用一个字节的二进制位域来表示。

最新的runtime源码没看懂，如有错误，敬请见谅

method_t

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    MethodListIMP imp;

    struct SortBySELAddress :
        public std::binary_function<const method_t&,
                                    const method_t&, bool>
    {
        bool operator() (const method_t& lhs,
                         const method_t& rhs)
        { return lhs.name < rhs.name; }
    };
};

catch_t

struct cache_t {
     struct bucket_t * _buckets;
     mask_t _mask;
     mask_t _mask_unused
}

散列表

bucket(selecter() ,_imp)

catch_t 散列表原理 （默认散列表有长度，一旦扩容，将散列表的缓存数组清掉重新给两倍长度）

给方法调用者发送消息

调用实例方法:
调用者 消息名称

objc_msgSend([[XSYPerson alloc] init], @selector("personTest"))

调用类方法:

objc_msgSend(objc_getClass("XSYPerson"), @selector("personTest"))

objc_msgSend 汇编源码

b:跳转
le:小于等于
x0:寄存器(消息接受者)

ENTRY _objc_msgSend
    UNWIND _objc_msgSend, NoFrame

    cmp p0, #0          // nil check and tagged pointer check
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
    b.le    LNilOrTagged        //  (MSB tagged pointer looks negative)
#else
    b.eq    LReturnZero
#endif
    ldr p13, [x0]       // p13 = isa
    GetClassFromIsa_p16 p13     // p16 = class
LGetIsaDone:
    // calls imp or objc_msgSend_uncached
    CacheLookup NORMAL, _objc_msgSend

#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
LNilOrTagged:
    b.eq    LReturnZero     // nil check

    // tagged
    adrp    x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGE
    add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_classes@PAGEOFF
    ubfx    x11, x0, #60, #4
    ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
    adrp    x10, _OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer@PAGE
    add x10, x10, _OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer@PAGEOFF
    cmp x10, x16
    b.ne    LGetIsaDone

    // ext tagged
    adrp    x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGE
    add x10, x10, _objc_debug_taggedpointer_ext_classes@PAGEOFF
    ubfx    x11, x0, #52, #8
    ldr x16, [x10, x11, LSL #3]
    b   LGetIsaDone
// SUPPORT_TAGGED_POINTERS
#endif

LReturnZero:
    // x0 is already zero
    mov x1, #0
    movi    d0, #0
    movi    d1, #0
    movi    d2, #0
    movi    d3, #0
    ret

    END_ENTRY _objc_msgSend

消息发送

image.png

语言描述：
1、判断消息接受者是否为空，如果为空，直接退出。否则，通过消息接受者的isa指针找到class对象（如果消息接受者是类，则找到的是meta-class，下面的类对象记得区分开来）查找类对象的方法缓存列表如果方法缓存列表中找到方法，则执行，否则
2、去class对象的method数组(存在于class对象的class_rw_t中)中查找方法，找到则执行，否则
3、通过class对象的superClass找到父类，查找父类的cache方法缓存列表。如果找到则执行，否则
4、查找父类的method数组(存在于class对象的class_rw_t中)中查找方法，找到则执行，否则
5、如果有父类，重复3，否则
6、动态方法解析

动态方法解析

Method 和 method_t 是同样的数据结构

struct method_t {
    SEL name;
    char *tyeps;
    IMP imp;
};

- (void)other {
    
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
//    Method method = class_getInstanceMethod(self, @selector(other));
    struct method_t *othermethod = class_getInstanceMethod(self, @selector(other));
    NSLog(@"%s %s %p", othermethod->name, othermethod->tyeps, othermethod->imp);

    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

输出：
RuntimeTest[20043:1398224] other v16@0:8 0x10af3fde0
(lldb) po (IMP)0x10af3fde0
(RuntimeTest`-[XSYPerson other] at XSYPerson.m:20)

C 和 Objective-C的动态方法解析

@interface XSYPerson : NSObject

- (void)personTest;

@end

@implementation XSYPerson

- (void)other {
    NSLog(@"%s - action", __func__);
}

void c_other(id self, SEL _cmd) { // 可以看出 self 和 cmd在Objective-C中是默认隐藏的两个参数
    NSLog(@"%@ -- %@", self, NSStringFromSelector(_cmd));
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
//    Method method = class_getInstanceMethod(self, @selector(other));
    
    
    if (sel == @selector(personTest)) {
//        class_addMethod(self, sel, method_getImplementation(method), method_getTypeEncoding(method));
        class_addMethod(self, sel, (IMP) c_other, @"v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

@end

动态添加方法添加到了class_rw_t中，再次查找方法，找到了方法调用，并将方法添加到cache中，

消息转发（当没有实现动态添加方法的时候，会执行消息转发流程）

未开源，伪代码

int __forwarding__(void *frameStackPointer, int isStret) {
    id receiver = *(id *)frameStackPointer;
    SEL sel = *(SEL *)(frameStackPointer + 8);
    const char *selName = sel_getName(sel);
    Class receiverClass = object_getClass(receiver);

    // 调用 forwardingTargetForSelector:
    if (class_respondsToSelector(receiverClass, @selector(forwardingTargetForSelector:))) {
        id forwardingTarget = [receiver forwardingTargetForSelector:sel];
        if (forwardingTarget && forwardingTarget != receiver) {
            return objc_msgSend(forwardingTarget, sel, ...);
        }
    }

    // 调用 methodSignatureForSelector 获取方法签名后再调用 forwardInvocation
    if (class_respondsToSelector(receiverClass, @selector(methodSignatureForSelector:))) {
        NSMethodSignature *methodSignature = [receiver methodSignatureForSelector:sel];
        if (methodSignature && class_respondsToSelector(receiverClass, @selector(forwardInvocation:))) {
            NSInvocation *invocation = [NSInvocation _invocationWithMethodSignature:methodSignature frame:frameStackPointer];

            [receiver forwardInvocation:invocation];

            void *returnValue = NULL;
            [invocation getReturnValue:&value];
            return returnValue;
        }
    }

    if (class_respondsToSelector(receiverClass,@selector(doesNotRecognizeSelector:))) {
        [receiver doesNotRecognizeSelector:sel];
    }

    // The point of no return.
    kill(getpid(), 9);
}

实例代码：
拿到返回值执行objc_msgSend:objc_msgSend(objc, @selector(test))

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(test)) {
        return objc; // 底层：拿到返回值执行objc_msgSend:objc_msgSend(objc,  @selector(test))
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

oc的消息机制

oc中的方法调用是objc_msgSend函数的调用，给receiver发送了一条消息（selector）。
消息发送有三个阶段
1、消息发送的过程
2、动态方法解析
3、消息转发

dynamic

不生成getter和setter方法，也不会生成成员变量

synthesize

生成成员变量

[self class]、[super class]、[super superClass]

1、 class在 NSObject 中的源码：

- (id)class {
   return objc_getClass(self);
}

2、 superClass在 NSObject 中的源码：

- (id)superClass {
   return objc_getSuperClass(objc_getClass(self));
}

3、 [self class] 的调用源码:

objc_msgSend(self, @selector(class))

receiver 是 self 

4、[super class] 的调用源码:

struct objc_super {
    id receiver;
    Class super_class; // 直接从父类查找方法
};

objc_msgSendSuper(sturct *objc_super,SEL)
    
objc_msgSendSuper({self, suplerClass}, @selector(class))

receiver 是 self 

[super superClass] 调用源码 跟 [super class] 的调用源码基本一样，只有superClass和class的方法内部区别，但是接受者还是self

struct objc_super {
    id receiver;
    Class super_class; // 直接从父类查找方法
};

objc_msgSendSuper(sturct *objc_super,SEL)
    
objc_msgSendSuper({self, suplerClass}, @selector(class))

receiver 是 self 

由源码可知[self class] [super class] [super superClass]的receiver都是self.
最终 class 返回的是objc_getClass(self)， superClass 返回的是objc_getSuperClass(objc_getClass(self))

isMemberOfClass、isKindOfClass

NSObject.mm源码

+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return self->ISA() == cls;
}

- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return [self class] == cls;
}

+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = self->ISA(); tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

类对象的判断：
[A isMemberOfClass:B]
[A isKindOfClass:B]
A: 实例对象 
B: 类对象 
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls; "等于" 判断 
- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls;   "子类" 判断

元类对象的判断：
[A isMemberOfClass:B]
[A isKindOfClass:B]
A: 类对象
B: 元类对象
+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls; "等于" 判断
+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls;   "子类" 判断

void *cls = [XSYPerson class] 原理

clang编译C++代码命令

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main.cpp

LLVM (OC -> 中间代码 .ll -> 汇编、机器代码)命令

image.png

clang -emit-llvm -S main.m

什么是runtime,平时项目中用到runtime吗？

Objective-C是动态语言，可以动态添加修改方法和isa的指向，允许许多操作推迟到运行过程中。这种功能就是通过runtime来实现的，它是一套c语言的API。我们调用方法都是通过runtime API发送消息来执行的
1、利用关联对象给分类添加属性
2、遍历类的成员变量（修改textfield的占位文字、归档解档、解析model）
3、交换方法
4、消息转发机制解决消息找不到的异常问题。

runtime常用的API

类的创建过程：
类对应的API

// 获取isa指向的class
Class object_getClass(id obj);

// 修改isa的指向
Class object_setClass(id obj, Class cls);

// 判断一个对象是否为Class,元类对象也是Class
BOOL object_isClass(id obj);

// 获取父类
Class class_getSuperclass(Class cls);

// 动态创建一个类 
Class objc_allocateClassPair(Class superclass, const char *name, size_t extraBytes);

// 不需要这个动态创建的类的时候，需要销毁
// The class to be destroyed. This class must have been allocated using objc_allocateClassPair.
void objc_disposeClassPair(Class cls);

// 动态添加成员变量 (已经objc_registerClassPair的类是不能添加成员变量的，因为成员变量放在 class_ro_t结构体中，是只读的，一旦类已经确定，只可动态添加方法，而不能再添加实例变量)
BOOL class_addIvar(Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types);
// 动态添加方法

// 注册一个类
void objc_registerClassPair(Class cls);

示例：
Class customClass = objc_allocateClassPair([NSObject class], "XSYClass", 0);
class_addIvar(customClass, "_age", 4, 1, @encode(int));
class_addMethod(customClass, @selector(run), (IMP)run, "v@:");
objc_registerClassPair(customClass);
    
id xsyClass = [[customClass alloc] init];
[xsyClass setValue:@10 forKey:@"_age"];
NSLog(@"%@", [xsyClass valueForKey:@"_age"]);
    
[xsyClass run];

成员变量相关的API

// 获取成员变量的信息 因为传入的是类，所以只能获取成员变量的名称和类型
Ivar class_getInstanceVariable(Class cls, const char *name);

// 给类存在的成员变量赋值（赋值给基本数据类型会有问题）
void object_setIvar(id obj, Ivar ivar, id value);

// 返回成员变量的数量
// You must free the array with free().
// runtime是c语言的API，使用c语言API开辟的对象或copy操作需要释放
Ivar  _Nonnull * class_copyIvarList(Class cls, unsigned int *outCount);

方法相关的API

image.png image.png

runtime 交换方法应用

解决数组添加空值崩溃

#import "NSMutableArray+Extension.h"
#import <objc/runtime.h>

@implementation NSMutableArray (Extension)

+ (void)load {
    
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        Class cls = NSClassFromString(@"__NSArrayM");
        Method addMethod = class_getInstanceMethod(cls, @selector(addObject:));
        Method changeAddMethod = class_getInstanceMethod(cls, @selector(xsy_addObject:));
        method_exchangeImplementations(addMethod, changeAddMethod);
        
        Method insertMetod = class_getInstanceMethod(cls, @selector(insertObject:atIndex:));
        Method changeInsertMethod = class_getInstanceMethod(cls, @selector(xsy_insertObject:atIndex:));
        method_exchangeImplementations(insertMetod, changeInsertMethod);
    });
    
    
}

- (void)xsy_addObject:(id)anObject {
    if (anObject == nil) {
        NSLog(@"小子，你敢往里添加空值");
        return;
    }
    [self xsy_addObject:anObject];
}



- (void)xsy_insertObject:(id)anObject atIndex:(NSUInteger)index {
    if (anObject == nil) {
        NSLog(@"小子，你敢往第%lu个元素里添加空值",(unsigned long)index);
        return;
    }
    [self xsy_insertObject:anObject atIndex:index];
}

@end

解决字典添加空值崩溃

#import "NSMutableDictionary+Extection.h"
#import <objc/runtime.h>

@implementation NSMutableDictionary (Extection)

+ (void)load {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        Class mcls = NSClassFromString(@"__NSDictionaryM");
        Method setMethod = class_getInstanceMethod(mcls, @selector(setObject:forKeyedSubscript:));
        Method changeSetMethod = class_getInstanceMethod(mcls, @selector(xsy_setObject:forKeyedSubscript:));
        method_exchangeImplementations(setMethod, changeSetMethod);
        
    });
}

- (void)xsy_setObject:(id)obj forKeyedSubscript:(id<NSCopying>)key {
    if (obj == nil) {
        NSLog(@"%@对应的值为nil",key);
        return;
    }
    [self xsy_setObject:obj forKeyedSubscript:key];
}

@end

监控点击事件

#import "UIControl+Extection.h"
#import <objc/runtime.h>

@implementation UIControl (Extection)

+ (void)load {
    Method method = class_getInstanceMethod(self, @selector(sendAction:to:forEvent:));
    Method changeMethod = class_getInstanceMethod(self, @selector(xsy_sendSendAction:to:forEvent:));
    method_exchangeImplementations(method, changeMethod);
    
}

- (void)xsy_sendSendAction:(SEL)action to:(id)target forEvent:(UIEvent *)event {
    NSLog(@"%@-%@-%@",NSStringFromSelector(action), target, event);
    [self xsy_sendSendAction:action to:target forEvent:event];
}

@end