Runtime最全总结

本系列详细讲解Runtime知识点，由于运行时的内容较多，所以将内容拆分成以下几个方面，可以自行选择想要查看的部分

• OC运行时机制Runtime(一)：从isa指针开始初步结识Runtime
• OC运行时机制Runtime(二)：探索Runtime的消息转发机制和分类Category
• OC运行时机制Runtime(三)：关联对象Associated Object和分类Category
• OC运行时机制Runtime(四)：尝试使用黑魔法 Method Swizzling

本文主要分析Runtime的基本特性，探究OC面向对象的基本实现。

什么是运行时？

众所周知Objective-C是一门动态语言，动态语言和静态语言的区别是动态语言可以在运行期决定，一些类或对象可以在运行期暴露出来，而不需要在编译时决定是否有这个类或对象，二者明显区别是，动态语言取决于运行环境，静态语言取决于编译器，例如使用多态时，静态语言在运行时要根据虚方法表查出应该是哪个函数实现，而动态语言无论是否多态下都会在运行时查找要执行的方法，在这里Runtime是实现这门动态语言的基础，从把面向对象的类编译为面向过程的结构体少不了它的作用，也许我们平时工作中不是很直观的经常使用它，但是可以说如果没有Runtime就没有Objective-C这门语言的成功。

isa指针？？这啥玩意！！

首先isa指针的全称，is a kind of 指针，顾名思义我们可以先理解为指向它所在类型的指针，如果一个类创建了一个实例，那么可以通过这个指针指向找到所在的类，下面打开objc.h文件

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

看的出每个objc_object对象都有一个指向Class类型的isa指针，再打开runtime.h文件

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

这里有Class类型的isa指针还有super_class，也可以看出isa指针并不是指向父类指针，这个结构体里面的内容很直观，isa指针、指向父类指针、名称、版本、信息、变量大小、变量列表、方法列表等等，每个objc_object可以通过isa指针找到它的类，并找到想要实现的方法或遵循的协议，由于objc_class也有isa指针，所以objc_class也是一个对象，称为“类对象”，它的isa指针指向他的元类(Meta-Class)，这样一来就很清晰了，每个对象通过isa指针向类中查找信息，类对象通过isa指针向元类查找信息，每个实例对象或类对象根据super_class指针都可以找到它们的父类，至此整个继承传递结构出来了，引用大神的图

实例对象、类和元类的关系图

到此为止有些朋友可能对isa和superclass这两个指针的含义理解的不是很清晰，那么下面用一个常见的案例来分析一下

假设有Father和Son两个类，Son继承自Father类，在Son.m文件中写下以下代码

#import "Son.h"

@implementation Son

- (instancetype)init {
    if (self = [super init]) {
        NSLog(@"%@", [self class]);
        NSLog(@"%@", [super class]);
        NSLog(@"%@", self.superclass);
    }
    return self;
}

@end

初始化Son类的实例对象，观察一下打印结果

2019-02-25 17:07:35.386429+0800 Demo[21294:1762905] Son
2019-02-25 17:07:35.386637+0800 Demo[21294:1762905] Son
2019-02-25 17:07:35.386670+0800 Demo[21294:1762905] Father

可以看出[super class]的打印结果并不是Father，而self.superclass的输出结果是Father。这里用Runtime的角度分析一下出现这个结果的原因。
首先super关键字并不是指self的父类对象，它的作用是访问从当前对象或类从父类继承过来的方法，其实等同于isa指针从当前类的方法列表中找不到class方法，需要向元类中查找，如果找不到则继续向父类依次查找直到NSObject，这里无论是self还是super最后都是在基类的方法中找到class这个方法，而方法的调用者（OC中指消息的接受者）都是self，所以都是Son类
superclass指针直接指向当前类的父类，所以输出是Father，这两个方法有本质上的区别
使用clang将Son.m文件编译成cpp文件clang -rewrite-objc Son.m在最下面找到这段c++代码

NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__w_bfstkhhs0c99d31tbzcqycpm0000gp_T_Son_127820_mi_0, ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("class")));
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__w_bfstkhhs0c99d31tbzcqycpm0000gp_T_Son_127820_mi_1, ((Class (*)(__rw_objc_super *, SEL))(void *)objc_msgSendSuper)((__rw_objc_super){(id)self, (id)class_getSuperclass(objc_getClass("Son"))}, sel_registerName("class")));
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders__w_bfstkhhs0c99d31tbzcqycpm0000gp_T_Son_127820_mi_2, ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("superclass")));

这段代码太长了，我们只保留带类型的关键部分将它简化一下

((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("class"))
((Class (*)(__rw_objc_super *, SEL))(void *)objc_msgSendSuper)((__rw_objc_super){(id)self, (id)class_getSuperclass(objc_getClass("Son"))}, sel_registerName("class"))
((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("superclass"))

这里有一个类型__rw_objc_super，只要使用super关键字调用方法，都会构建这个结构体，根据isa指针向上查找方法，将所有类型全部去掉得到最简化的代码

(self, sel_registerName("class"))
({self,class_getSuperclass(objc_getClass("Son"))},sel_registerName("class"))
(self, sel_registerName("superclass"))

最简化代码看得出，前两个虽然代码不同，但是receiver参数都是self，最后调用的方法都是class，只是查找的来源不是同一个对象，而最后一个self接收的方法是superclass查找的是父类，这样也就印证了上面的理论。

这里如果消息传递内容不是很清晰，请移步到下一篇文章OC运行时机制Runtime(二)：探索Runtime的消息转发机制

接下来再用一个案例来确定确实有Meta-Class这个概念。

NSLog(@"%@", object_getClass(self));
NSLog(@"%@", object_getClass([self class]));
NSLog(@"%d", class_isMetaClass(object_getClass(self)));
NSLog(@"%d", class_isMetaClass(object_getClass([self class])));

这两个函数很容易看懂，分别是获取当前的类对象，以及判断当前类是否为元类，输出结果如下

2019-02-28 17:05:26.138644+0800 Demo[3114:1623664] Son
2019-02-28 17:05:26.138948+0800 Demo[3114:1623664] Son
2019-02-28 17:05:26.138971+0800 Demo[3114:1623664] 0
2019-02-28 17:05:26.138987+0800 Demo[3114:1623664] 1

这下很清晰了，虽然同样结果都是Son类，但是其中一个是类对象，另一个是元类，所以可以判断，一个实例对象的isa指针指向它的类对象，而类对象的isa指针则指向它的元类。

总结

super关键字不代表父类对象，而是从isa指针指向的对象，而消息的接受者还是self本身。每个对象都有一个isa指针，实例对象的指针指向它的类，类对象的指针指向元类，所有的Class对象构成了类的继承体系，所以，每个对象所要执行的方法都要由isa指针向上查找，实例对象的方法存在于类中，类方法存在于元类中，这样就完整的将OC的类映射到了C的结构体上了。

后续

到这里只分析了Runtime的基本关系和指针传递，后文会继续分析消息机制和关联对象等知识点，感兴趣的朋友们可以移步下一篇文章 OC运行时机制Runtime(二)：探索Runtime的消息转发机制，如果觉得本文对您有些作用，请在下方点个赞再走哈~