Runtime & 消息转发机制

怎么理解OC是动态语言，Runtime又是什么？

静态语言：如C语言，编译阶段就要决定调用哪个函数，如果函数未实现就会编译报错。

动态语言：把一些决定性的工作从编译阶段推迟到运行时阶段。如OC语言，编译阶段并不能决定真正调用哪个函数，只要函数声明过即使没有实现也不会报错。

Runtime 可以OC代码编译转化为运行时代码，通过消息机制决定函数调用方式，是 OC 面向对象和动态机制的基石。

面向对象编程的三大特性是：封装、继承、多态

1.封装：抽象出数据类型和数据操作构成一个整体。需要类中有：成员变量、方法

2.继承：类之间的父子关系 ，OC中的类中存在一个isa指针和super_class指针，通过他们建立起了类之间的父子关系。

3. 多态：指针变量指向的具体类型，方法调用在运行时才能确定。

多态的三个必要条件是：继承、重写、父类指针可以指向子类对象。

OC是一门动态语言：

1. 可以在运行时新增方法（使用class_addMethod为类新增方法）

2. 可以改变类的结构（使用class_replaceMethod替换方法的实现等）

3. 运行时检查类型（运行时多态，id类型）

OC与Runtime的交互划分三种层次，交互程度从低到高排序：

1. OC源代码

2. NSObject方法

3. Runtime 函数。

类的runtime 底层实现：

class 结构体

class_rw_t： 提供了运行时对类拓展的能力。内容可以在运行时被动态修改的，可以说运行时对类的拓展大都是存储在这里的。（比如：分类）

 class_ro_t ：存储的大多是类在编译时就已经确定的信息。

注意：二者都存有类的方法、属性（成员变量）、协议等信息，不过存储它们的列表实现方式不同。

class_rw_t 中使用的 method_array_t, property_array_t, protocol_array_t 都继承自 list_array_tt<Element, List>,   它可以不断扩张（类似于二位数组，数组里面可以存放数组，后续可把分类添加的方法，属性等加入进来），可以存储 list 指针。

存储的内容有三种：1. 空   2. 一个 entsize_list_tt 指针   3. entsize_list_tt 指针数组

支持category：类的 method_list 会先插入链表，然后再头插category的method_list。

注意：头插法：category的method_list 放在数组的最前面。方法调用时是顺序查找，category中重写原类方法会覆盖原类。如果有多个分类，最晚编译的category中的方法会被执行。

分类详解： 分类了解 --传送门

realizeClass：realizeClass 处理后的类才是『真正的』类，调用时不能对类做写操作。

类初始化之前，objc_class->data() 返回的指针指向 class_ro_t 结构体。等 static Class realizeClass(Class cls) 静态方法在类第一次初始化时被调用，它会开辟 class_rw_t 的空间，并将 class_ro_t 指针赋值给 class_rw_t->ro。

其他字段大概含义：

1. ivars: 用于存放所有的成员变量和属性信息

 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

2. methodLists： 用于存放对象的所有成员方法。

3. selector：方法选择器，编译时，会依据类名，方法名字、参数序列等，生成一个唯一的整型标识 (Int类型的地址)，用来区分方法的 ID，selector 方法选择器名称不区分 +，-方法，这个ID是 SEL 类型，是个映射到方法的C字符串

注意：

1. 不同类中相同名字的方法对应的方法选择器是相同的。

2.即使是同一个类中，方法名相同而变量类型不同也会导致它们具有相同的方法选择器。因此 Objc 中方法命名有时会带上参数类型来进行区分。

3. 同一个类，方法名不能重复。不同的类，可以重复

获取SEL有 3 种方法：

1.  OC中，使用@selector(“方法名字符串”) 或者  使用NSSelectorFromString(“方法名字符串”)      

2.  Runtime方法，使用sel_registerName(“方法名字符串”)

 IMP：函数指针，指向方法的实现。

注意：避开消息发送，直接获取方法的地址并调用会更高效。 NSObject 类中有methodForSelector: 实例方法。可以用它来获取某个方法选择器对应的IMP地址。

方法结构体

当objc_msgSend找到方法的实现时，将直接调用该方法实现，并将消息中所有的参数都传递给方法实现,  任何方法默认都有两个隐式参数：是在代码被编译时被插入实现中的。

1.  self：接收消息的对象。在当前方法中使用  self关键字， 引用实例本身， 

2：_cmd：方法选择器。  _cmd 和 imp 是一一对应的

Rutime消息发送基本原理

OC的方法调用都是类似 [receiver  selector] 的形式，其实是一个运行时消息发送过程。

消息机制原理：对象根据方法编号SEL去映射表查找对应的方法实现。

编译阶段：确定了要向哪个接收者发送message消息，编译器转化：

1.不带参数的方法被编译为：objc_msgSend(receiver，selector)

2.带参数的方法被编译为：objc_msgSend(recevier，selector，org1，org2，…)

注意：编译器会根据情况在 objc_msgSend, objc_msgSend_stret,  objc_msgSendSuper, 或 objc_msgSendSuper_stret  四个方法中选择一个来调用。如果消息是传递给父类，那么会调用名字带有”Super”的函数；如果消息返回值是数据结构而不是简单值时，那么会调用名字带有”stret”的函数。

在 i386 平台处理返回类型为浮点数的消息时，需要用到  objc_msgSend_fpret 函数来进行处理，这是因为返回类型为浮点数的函数对应的 ABI(Application Binary Interface) 与返回整型的函数的 ABI 不兼容。此时objc_msgSend 不再适用。不过在 PPC 或 PPC64 平台是不需要麻烦它的。 

PS：带  “Super”  的是消息传递给父类；“stret”可分为“  st”+“ret”  两部分，分别代表“struct”和“return”；“fpret”就是“fp”+“ret”，分别代表“floating-point”和“return”。

运行时阶段：

1. 检测 selector 是不是需要忽略的。比如 Mac OS X 开发，有了垃圾回收就不理会retain, release 这些函数了。

2. 检测target 是不是nil 对象。ObjC 的特性是允许对一个 nil对象执行任何一个方法不会 Crash，因为会被忽略掉。如果传递给 objc_msgSend 的 self 参数是 nil，该函数不会执行有意义的操作，直接返回。

3. 满足上面两个条件后，通过 isa 指针找到它的 class ; 在类中查找 IMP，先从 cache 里面找，若找到就跳到对应的函数去执行。如果在cache里找不到就去类的 方法列表methodLists 里面找。

4. 如果找不到，就到顺着类的 superclass 指针去它父类的cache 和 methodLists方法列表里找，直到找到NSObject类为止，若找到就跳到对应的函数去执行。

5. 如果还找不到，Runtime就提供了三种方法来处理：动态方法解析、消息接受者重定向、消息重定向，如果还不能处理，就carsh 。 

注意： 在找到 method 方法后，把方法 的 method_name 作为key ，method_imp 作为value 给存起来。当再次收到这个消息的时候，可以直接在objc_cache 里找到，避免去遍历objc_method_list。

objc_cache 作用 ：每次发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。

参考⚠️⚠️⚠️：isa 指针传送门

三次机会：动态方法解析， 消息接受者重定向， 消息重定向

最后3次机会

一： 动态方法解析(Dynamic Method Resolution)

如果从本类到父类一层层的找也没有找到对应方法的话，就会走消息转发。

当通过 cache 和方法列表都没有找到方法时，Runtime 提供了 一次动态添加方法实现的机会，主要用到的方法如下：

动态添加方法 实现例子

在消息转发前会先走本类的方法 +resolveInstanceMethod:（处理找不到的实例方法）或+resolveClassMethod:（处理找不到的类方法）。在这个方法里面可以使用class_addMethod 函数向实例添加方法，使得消息发送能够正常进行。

1. 如果正确添加了函数， 那运行时系统就会重新启动一次消息发送的过程。如果没有正确的添加函数的实现，即使返回YES ，也会崩溃. 返回的YES，或者NO ，无实质意义。

参考：消息转发第一步resolveInstanceMethod返回YES or NO？_chenyingSunny的专栏-CSDN博客

2. 如果resolve方法返回 NO ，就会移到下一步，消息转发(Forwarding)的阶段forwardingTargetForSelector。

二：消息接收者重定向

Runtime 提供把这个消息转发给其他对象的机会。可以保证程序的继续执行。

重写列子

通过 forwardingTargetForSelector 可以修改消息的接收者，该方法返回参数是一个对象，如果这个对象是非nil，非self，系统会将运行的消息转发给这个对象执行。否则进入下一阶段，消息的重定向。

forwardingTargetForSelector 方法，返回一个指定的接收者

1. 返回nil，走转发流程第三步消息重定向

2. 返回非nil对象，走返回对象的消息发送流程，本次消息转发至此结束。 如果返回的对象可处理该方法，哪怕是他自己没有该方法但是父类有，则ok（其实就是消息发送流程）

3.  返回的对象无法处理该方法，接下来走返回对象的消息转发流程

三：消息重定向

Runtime 系统会通过 forwardInvocation 方法消息通知该对象，给予此次消息最后一次寻找IMP（可以被执行）的机会。

1. 每个对象都从 NSObject 类中继承了forwardInvocation 方法，

2. NSObject中forwardInvocation 方法只是简单的调用了doesNotRecongnizeSelector 方法，提示错误。

3. 重写 methodSignatureForSelector 和 forwardInvocation 方法：对不能处理的消息做一些默认处理避免崩溃，也可以将消息转发给其他对象来处理。

在forwardInvocation 消息发送前，Runtime系统会向对象发送methodSignatureForSelector消息，并取到返回的方法签名用于生成NSInvocation对象。

anInvocation ：参数中的selector为导致crash的方法，target为导致crash的对象

实现消息转发

1. methodSignatureForSelector如果返回nil，直接crash

2. methodSignatureForSelector 返回只要是非nil且是NSMethodSignature类型的任何值都可以

4. forwardInvocation方法可以啥都不处理，或者做任何不会出问题的事，至此本次消息转发结束，也不会crash。

总结：

forwardInvocation方法: 像一个不能识别的消息的分发中心，可将消息同时转发给任意多个对象。也可将所有的消息都发送给同一个接收对象。或者对不同的消息提供同样的响应。

1. forwardingTargetForSelector 仅支持一个对象的返回，消息只能被转发给一个对象

2.  简单的”吃掉“某些消息，没有响应也没有错误。 理论上可以重载 doesNotRecognizeSelector 函数，重写使其不抛出异常（不调用super实现）。但是苹果文档着重提出“一定不能让这个函数就这么结束掉，必须抛出异常”。

3. forwardInvocation 能够修改消息的内容，用于实现更加强大的功能。

使用场景：

向 nil 对象发送消息则不会产生崩溃

1. - ( NSMethodSignature * ) methodSignatureForSelector: ( SEL ) aSelector 

2.  - ( void ) forwardInvocation: ( NSInvocation * ) anInvocation 

重写 这两个方法将没能力处理消息的方法签名转发给 nil 对象则不会产生崩溃

使用场景：runtime 使用场景

参考：

Objective-C Runtime | yulingtianxia's blog 详解class 类结构体中 rw  & ro 等字段的具体含义

Runtime-iOS运行时基础篇 - 简书 👍👍👍 

Runtime_唐姐让改名的博客-CSDN博客_runtime     时间上更新，class 结构体有改变，详细讲解ISA结构体类型。

Runtime整理

深入浅出Runtime (一) 什么是Runtime？ 定义？ - 简书  里面有具体的class 类结构体的底层代码

iOS self和super底层实现原理 - 简书  self和super 的区别