问题
- Category的实现原理，以及Category为什么只能加方法不能加属性。
- Category中有load方法吗？load方法是什么时候调用的？load 方法能继承吗？
- load、initialize的区别，以及它们在category重写的时候的调用的次序。
- Catagory_t存储的方法，属性，协议等是如何加载到类对象中的？
1、Category简介
category是Objective-C 2.0之后添加的语言特性，category的主要作用是为已经存在的类添加方法。除此之外，apple还推荐了category的另外两个使用场景
- 可以把类的实现分开在几个不同的文件里面。这样做有几个显而易见的好处，
a)可以减少单个文件的体积
b)可以把不同的功能组织到不同的category里
c)可以由多个开发者共同完成一个类
d)可以按需加载想要的category 等等。 - 声明私有方法
不过除了apple推荐的使用场景，广大开发者脑洞大开，还衍生出了category的其他几个使用场景：
- 模拟多继承
- 把framework的私有方法公开
Objective-C的这个语言特性对于纯动态语言来说可能不算什么，比如javascript，你可以随时为一个“类”或者对象添加任意方法和实例变量。但是对于不是那么“动态”的语言而言，这确实是一个了不起的特性。
2、连类比事-category和extension
extension看起来很像一个匿名的category，但是extension和有名字的category几乎完全是两个东西。 extension在编译期决议，它就是类的一部分，在编译期和头文件里的@interface以及实现文件里的@implement一起形成一个完整的类，它伴随类的产生而产生，亦随之一起消亡。extension一般用来隐藏类的私有信息，你必须有一个类的源码才能为一个类添加extension，所以你无法为系统的类比如NSString添加extension。（详见2）
但是category则完全不一样，它是在运行期决议的。 就category和extension的区别来看，我们可以推导出一个明显的事实，extension可以添加实例变量，而category是无法添加实例变量的（因为在运行期，对象的内存布局已经确定，如果添加实例变量就会破坏类的内部布局，这对编译型语言来说是灾难性的）。
3、挑灯细览-category真面目
我们知道，所有的OC类和对象，在runtime层都是用struct表示的，category也不例外，在runtime层，category用结构体category_t（在objc-runtime-new.h中可以找到此定义），iOS上关于Runtime的源码其实就是objc4，我们在objc4源码上能看到最新版本为objc-750，它包含了：
- 1)、类的名字（name）
- 2)、类（cls）
- 3)、category中所有给类添加的实例方法的列表（instanceMethods）
- 4)、category中所有添加的类方法的列表（classMethods）
- 5)、category实现的所有协议的列表（protocols）
- 6)、category中添加的所有属性（instanceProperties）
struct category_t {
const char *name;
classref_t cls;
struct method_list_t *instanceMethods;
struct method_list_t *classMethods;
struct protocol_list_t *protocols;
struct property_list_t *instanceProperties;
method_list_t *methodsForMeta(bool isMeta) {
if (isMeta) return classMethods;
else return instanceMethods;
}
property_list_t *propertiesForMeta(bool isMeta) {
if (isMeta) return nil; // classProperties;
else return instanceProperties;
}
};
从category的定义也可以看出category的可为（可以添加实例方法，类方法，甚至可以实现协议，添加属性）和不可为（无法添加实例变量）。
我们先去写一个category看一下category到底为何物：
MyClass.h：
#import <Foundation/Foundation.h>
@interface MyClass : NSObject
- (void)printName;
@end
@interface MyClass(MyAddition)
@property(nonatomic, copy) NSString *name;
- (void)printName;
@end
MyClass.m：
#import "MyClass.h"
@implementation MyClass
- (void)printName
{
NSLog(@"%@",@"MyClass");
}
@end
@implementation MyClass(MyAddition)
- (void)printName
{
NSLog(@"%@",@"MyAddition");
}
@end
我们使用clang的命令去看看category到底会变成什么：
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc MyClass.m
好吧，我们得到了一个1.6M大小，3w多行的.cpp文件，我们忽略掉所有和我们无关的东西，在文件的最后，我们找到了如下代码片段
static struct /*_method_list_t*/ {
unsigned int entsize; // sizeof(struct _objc_method)
unsigned int method_count;
struct _objc_method method_list[1];
} _OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
sizeof(_objc_method),
1,
{{(struct objc_selector *)"printName", "v16@0:8", (void *)_I_MyClass_MyAddition_printName}}
};
static struct /*_prop_list_t*/ {
unsigned int entsize; // sizeof(struct _prop_t)
unsigned int count_of_properties;
struct _prop_t prop_list[1];
} _OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
sizeof(_prop_t),
1,
{{"name","T@\"NSString\",C,N"}}
};
extern "C" __declspec(dllexport) struct _class_t OBJC_CLASS_$_MyClass;
static struct _category_t _OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) =
{
"MyClass",
0, // &OBJC_CLASS_$_MyClass,
(const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition,
0,
0,
(const struct _prop_list_t *)&_OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition,
};
static void OBJC_CATEGORY_SETUP_$_MyClass_$_MyAddition(void ) {
_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition.cls = &OBJC_CLASS_$_MyClass;
}
#pragma section(".objc_inithooks$B", long, read, write)
__declspec(allocate(".objc_inithooks$B")) static void *OBJC_CATEGORY_SETUP[] = {
(void *)&OBJC_CATEGORY_SETUP_$_MyClass_$_MyAddition,
};
static struct _class_t *L_OBJC_LABEL_CLASS_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_classlist,regular,no_dead_strip")))= {
&OBJC_CLASS_$_MyClass,
};
static struct _class_t *_OBJC_LABEL_NONLAZY_CLASS_$[] = {
&OBJC_CLASS_$_MyClass,
};
static struct _category_t *L_OBJC_LABEL_CATEGORY_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_catlist,regular,no_dead_strip")))= {
&_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition,
};
我们可以看到，
1)、首先编译器生成了实例方法列表OBJC$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass$_MyAddition和属性列表OBJC$_PROP_LIST_MyClass$_MyAddition，两者的命名都遵循了公共前缀+类名+category名字的命名方式，而且实例方法列表里面填充的正是我们在MyAddition这个category里面写的方法printName，而属性列表里面填充的也正是我们在MyAddition里添加的name属性。还有一个需要注意到的事实就是category的名字用来给各种列表以及后面的category结构体本身命名，而且有static来修饰，所以在同一个编译单元里我们的category名不能重复，否则会出现编译错误。
2)、其次，编译器生成了category本身OBJC$_CATEGORY_MyClass$_MyAddition，并用前面生成的列表来初始化category本身。
3)、最后，编译器在DATA段下的objc_catlist section里保存了一个大小为1的category_t的数组L_OBJC_LABELCATEGORY$（当然，如果有多个category，会生成对应长度的数组_），用于运行期category的加载。
到这里，编译器的工作就接近尾声了，对于category在运行期怎么加载，我们下节揭晓。
4、追本溯源-category如何加载
我们知道，Objective-C的运行是依赖OC的runtime的，而OC的runtime和其他系统库一样，是OS X和iOS通过dyld动态加载的。
想了解更多dyld地同学可以移步这里（3）。
对于OC运行时，入口方法如下（在objc-os.mm文件中）：
void _objc_init(void)
{
static bool initialized = false;
if (initialized) return;
initialized = true;
// fixme defer initialization until an objc-using image is found?
environ_init();
tls_init();
static_init();
lock_init();
exception_init();
_dyld_objc_notify_register(&map_images, load_images, unmap_image);
}
category被附加到类上面是在map_images的时候发生的，在new-ABI的标准下，_objc_init里面的调用的map_images最终会调用objc-runtime-new.mm里面的_read_images方法，而在_read_images方法的结尾，有以下的代码片段：
// Realize newly-resolved future classes, in case CF manipulates them
if (resolvedFutureClasses) {
for (i = 0; i < resolvedFutureClassCount; i++) {
realizeClass(resolvedFutureClasses[i]);
resolvedFutureClasses[i]->setInstancesRequireRawIsa(false/*inherited*/);
}
free(resolvedFutureClasses);
}
ts.log("IMAGE TIMES: realize future classes");
进入核心函数 realizeClass
static Class realizeClass(Class cls)
{
runtimeLock.assertLocked();
const class_ro_t *ro;
class_rw_t *rw;
Class supercls;
Class metacls;
bool isMeta;
if (!cls) return nil;
if (cls->isRealized()) return cls;
assert(cls == remapClass(cls));
// fixme verify class is not in an un-dlopened part of the shared cache?
ro = (const class_ro_t *)cls->data(); //⚠️⚠️⚠️ class_rw_t 强制转换为 class_ro_t 指针
if (ro->flags & RO_FUTURE) {
// This was a future class. rw data is already allocated.
rw = cls->data(); //⚠️⚠️⚠️如果rw已经分配了内存，则rw指向cls->data()，然后将rw的ro指针指向之前最开始的ro
ro = cls->data()->ro;
cls->changeInfo(RW_REALIZED|RW_REALIZING, RW_FUTURE);
} else {
// Normal class. Allocate writeable class data. //⚠️⚠️⚠️如果rw还没有分配内存
rw = (class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1); //⚠️⚠️⚠️给rw分配内存
rw->ro = ro;
rw->flags = RW_REALIZED|RW_REALIZING;
cls->setData(rw); //⚠️⚠️⚠️调整类的data()
}
isMeta = ro->flags & RO_META;
...
...
// Attach categories
methodizeClass(cls); //⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️附加
return cls;
}
在加载 ObjC 运行时的过程中在 realizeClass 方法中：
- 从 class_data_bits_t 调用 data 方法，将结果从 class_rw_t 强制转换为 class_ro_t 指针
- 初始化一个 class_rw_t 结构体
- 设置结构体 ro 的值以及 flag
- 最后设置正确的 data。
image.png
但是，在这段代码运行之后 class_rw_t 中的方法，属性以及协议列表均为空。这时需要realizeClass 调用 methodizeClass 方法来将类自己实现的方法（包括分类）、属性和遵循的协议加载到 methods、 properties 和 protocols 列表中，我们去看下methodizeClass：
static void methodizeClass(Class cls)
{
runtimeLock.assertLocked();
bool isMeta = cls->isMetaClass();
auto rw = cls->data();
auto ro = rw->ro;
// Methodizing for the first time
if (PrintConnecting) {
_objc_inform("CLASS: methodizing class '%s' %s",
cls->nameForLogging(), isMeta ? "(meta)" : "");
}
// Install methods and properties that the class implements itself.
//⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️rw找到ro取出里面的baseMethods、baseProperties、baseProtocols，
//⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️添加到rw对应的methods、properties、protocols中
method_list_t *list = ro->baseMethods();
if (list) {
prepareMethodLists(cls, &list, 1, YES, isBundleClass(cls));
rw->methods.attachLists(&list, 1);
}
property_list_t *proplist = ro->baseProperties;
if (proplist) {
rw->properties.attachLists(&proplist, 1);
}
protocol_list_t *protolist = ro->baseProtocols;
if (protolist) {
rw->protocols.attachLists(&protolist, 1);
}
// Attach categories. //⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️取出未添加过的分类内容添加进来
category_list *cats = unattachedCategoriesForClass(cls, true /*realizing*/);
attachCategories(cls, cats, false /*don't flush caches*/);
...
...
}
从上述源码中可以看出，从rw找到ro取出里面的baseMethods、baseProperties、baseProtocols，添加到rw对应的methods、properties、protocols中。最后取出未添加过的分类内容添加进来。关于怎么将分类方法添加进来的，即 attachCategories 函数的具体实现，
// ⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️获取到Category的Protocol list、Property list、Method list，
//⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️然后通过attachLists函数添加到所属的类中
static void
attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches)
{
if (!cats) return;
if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats);
bool isMeta = cls->isMetaClass();
//⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️按照Category个数，分配对应的内存空间
// fixme rearrange to remove these intermediate allocations
method_list_t **mlists = (method_list_t **)
malloc(cats->count * sizeof(*mlists));
property_list_t **proplists = (property_list_t **)
malloc(cats->count * sizeof(*proplists));
protocol_list_t **protolists = (protocol_list_t **)
malloc(cats->count * sizeof(*protolists));
// Count backwards through cats to get newest categories first
int mcount = 0;
int propcount = 0;
int protocount = 0;
int i = cats->count;
bool fromBundle = NO;
//⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️ 循环查找出Protocol list、Property list、Method list
while (i--) {
auto& entry = cats->list[i];
method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
if (mlist) {
mlists[mcount++] = mlist;
fromBundle |= entry.hi->isBundle();
}
property_list_t *proplist =
entry.cat->propertiesForMeta(isMeta, entry.hi);
if (proplist) {
proplists[propcount++] = proplist;
}
protocol_list_t *protolist = entry.cat->protocols;
if (protolist) {
protolists[protocount++] = protolist;
}
}
auto rw = cls->data();
// ⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️⚠️执行添加操作
prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle);
rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
free(mlists);
if (flush_caches && mcount > 0) flushCaches(cls);
rw->properties.attachLists(proplists, propcount);
free(proplists);
rw->protocols.attachLists(protolists, protocount);
free(protolists);
}
attachLists 函数的具体实现
image.png
上述源代码中有两个重要的数组
array()->lists： 类对象原来的方法列表，属性列表，协议列表。
addedLists：传入所有分类的方法列表，属性列表，协议列表。
attachLists函数中最重要的两个方法为 memmove 内存移动和 memcpy 内存拷贝。
经过memmove和memcpy方法之后，分类的方法，属性，协议列表被放在了类对象中原本存储的方法，属性，协议列表前面。
需要注意的有两点：
1)、category的方法没有“完全替换掉”原来类已经有的方法，也就是说如果category和原来类都有methodA，那么category附加完成之后，类的方法列表里会有两个methodA
2)、category的方法被放到了新方法列表的前面，而原来类的方法被放到了新方法列表的后面，这也就是我们平常所说的category的方法会“覆盖”掉原来类的同名方法，这是因为运行时在查找方法的时候是顺着方法列表的顺序查找的，它只要一找到对应名字的方法，就会罢休_，殊不知后面可能还有一样名字的方法。
5、旁枝末叶-category和+load方法
我们知道，在类和category中都可以有+load方法，那么有两个问题：
1)、在类的+load方法调用的时候，我们可以调用category中声明的方法么？
2)、这么些个+load方法，调用顺序是咋样的呢？ 鉴于上述几节我们看的代码太多了，对于这两个问题我们先来看一点直观的：
image.png
我们的代码里有MyClass和MyClass的两个category （Category1和Category2），MyClass和两个category都添加了+load方法，并且Category1和Category2都写了MyClass的printName方法。 在Xcode中点击Edit Scheme，添加如下两个环境变量（可以在执行load方法以及加载category的时候打印log信息，更多的环境变量选项可参见objc-private.h）:
image.png
运行项目，我们会看到控制台打印很多东西出来，我们只找到我们想要的信息，顺序如下：
objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category1
objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category2 . . .
objc[1187]: LOAD: class ‘MyClass’ scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: category ‘MyClass(Category1)’ scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: category ‘MyClass(Category2)’ scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: +[MyClass load] . . .
objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category1) load] . . .
objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category2) load]
所以，对于上面两个问题，答案是很明显的：
1)、可以调用，因为附加category到类的工作会先于+load方法的执行
2)、+load的执行顺序是先类，后category，而category的+load执行顺序是根据编译顺序决定的。 目前的编译顺序是这样的：
image.png
我们调整一个Category1和Category2的编译顺序，run。我们可以看到控制台的输出顺序变了：
image.png
objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category2
objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category1 . . .
objc[1187]: LOAD: class ‘MyClass’ scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: category ‘MyClass(Category2)’ scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: category ‘MyClass(Category1)’ scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: +[MyClass load] . . .
objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category2) load] . . .
objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category1) load]
虽然对于+load的执行顺序是这样，但是对于“覆盖”掉的方法，则会先找到最后一个编译的category里的对应方法。 这一节我们只是用很直观的方式得到了问题的答案，有兴趣的同学可以继续去研究一下OC的运行时代码。
问：load、initialize的区别，以及它们在category重写的时候的调用的次序。
答：区别在于调用方式和调用时刻
调用方式：load是根据函数地址直接调用，initialize是通过objc_msgSend调用
调用时刻：load是runtime加载类、分类的时候调用（只会调用1次），initialize是类第一次接收到消息的时候调用，每一个类只会initialize一次（父类的initialize方法可能会被调用多次）
调用顺序：先调用类的load方法，先编译那个类，就先调用load。在调用load之前会先调用父类的load方法。分类中load方法不会覆盖本类的load方法，先编译的分类优先调用load方法。initialize先初始化父类，之后再初始化子类。如果子类没有实现+initialize，会调用父类的+initialize（所以父类的+initialize可能会被调用多次），如果分类实现了+initialize，就覆盖类本身的+initialize调用。
6、触类旁通-category和方法覆盖
鉴于上面几节我们已经把原理都讲了，这一节只有一个问题：
怎么调用到原来类中被category覆盖掉的方法？ 对于这个问题，我们已经知道category其实并不是完全替换掉原来类的同名方法，只是category在方法列表的前面而已，所以我们只要顺着方法列表找到最后一个对应名字的方法，就可以调用原来类的方法：
Class currentClass = [MyClass class];
MyClass *my = [[MyClass alloc] init];
if (currentClass) {
unsigned int methodCount;
Method *methodList = class_copyMethodList(currentClass, &methodCount);
IMP lastImp = NULL;
SEL lastSel = NULL;
for (NSInteger i = 0; i < methodCount; i++) {
Method method = methodList[i];
NSString *methodName = [NSString stringWithCString:sel_getName(method_getName(method))
encoding:NSUTF8StringEncoding];
if ([@"printName" isEqualToString:methodName]) {
lastImp = method_getImplementation(method);
lastSel = method_getName(method);
}
}
typedef void (*fn)(id,SEL);
if (lastImp != NULL) {
fn f = (fn)lastImp;
f(my,lastSel);
}
free(methodList);
}
7、更上一层-category和关联对象
如上所见，我们知道在category里面是无法为category添加实例变量的。但是我们很多时候需要在category中添加和对象关联的值，这个时候可以求助关联对象来实现。
但是关联对象又是存在什么地方呢？ 如何存储？ 对象销毁时候如何处理关联对象呢？
而在对象的销毁逻辑里面，见objc-runtime-new.mm:
/***********************************************************************
* objc_destructInstance
* Destroys an instance without freeing memory.
* Calls C++ destructors.
* Calls ARC ivar cleanup.
* Removes associative references.
* Returns `obj`. Does nothing if `obj` is nil.
**********************************************************************/
void *objc_destructInstance(id obj)
{
if (obj) {
// Read all of the flags at once for performance.
bool cxx = obj->hasCxxDtor();
bool assoc = obj->hasAssociatedObjects();
// This order is important.
if (cxx) object_cxxDestruct(obj);
if (assoc) _object_remove_assocations(obj);
obj->clearDeallocating();
}
return obj;
}
嗯，runtime的销毁对象函数objc_destructInstance里面会判断这个对象有没有关联对象，如果有，会调用_object_remove_assocations做关联对象的清理工作。
后记
正如侯捷先生所讲-“源码面前，了无秘密”，Apple的Cocoa Touch框架虽然并不开源，但是Objective-C的runtime和Core Foundation却是完全开放源码的可以下载到全部的开源代码
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