ps:积少成多，积善成德

引言

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曾经的我并不知道运行时这东西，因为那个时候开发并不是经常用到这东西，我相信很多初出茅庐的开发者也和我一样，每天虽然看似很忙，但是干的都是码农的活。但是我也觉得这个过程是每个人必须经历的，你也不用灰心丧气。好了，不扯多了...今天我们一起来探讨一下运行时。

简介

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不知道你是否记得在C语言中当我们是怎么调用一个函数的？我们都说oc是一门动态的语言，所以它总是想办法把一些决定工作从编译连接推迟到运行时。也就是说只有编译器是不够的，还需要一个运行时系统 (runtime system)来执行编译后的代码。这就是 Objective-C Runtime 系统存在的意义，它是整个Objc运行框架的一块基石。

Runtime其实有两个版本:“modern”和 “legacy”。我们现在用的 Objective-C 2.0采用的是现行(Modern)版的Runtime系统，只能运行在 iOS 和 OS X 10.5 之后的64位程序中。而OSX较老的32位程序仍采用 Objective-C 1中的（早期）Legacy 版本的 Runtime系统。这两个版本最大的区别在于当你更改一个类的实例变量的布局时，在早期版本中你需要重新编译它的子类，而现行版就不需要。

Runtime基本是用C和汇编写的，可见苹果为了动态系统的高效而作出的努力。你可以在这里下到苹果维护的开源代码。苹果和GNU各自维护一个开源的runtime版本，这两个版本之间都在努力的保持一致。

交互

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Objc 从三种不同的层级上与 Runtime 系统进行交互，分别是通过 Objective-C 源代码，通过 Foundation 框架的NSObject类定义的方法，通过对 runtime 函数的直接调用。

Objective-C源代码

大部分情况下你就只管写你的Objc代码就行，runtime 系统自动在幕后辛勤劳作着。

NSObject的方法

Cocoa 中大多数类都继承于NSObject类，也就自然继承了它的方法。最特殊的例外是NSProxy，它是个抽象超类，它实现了一些消息转发有关的方法，可以通过继承它来实现一个其他类的替身类或是虚拟出一个不存在的类，说白了就是领导把自己展现给大家风光无限，但是把活儿都交给幕后小弟去干。

有的NSObject中的方法起到了抽象接口的作用，比如description方法需要你重载它并为你定义的类提供描述内容。NSObject还有些方法能在运行时获得类的信息，并检查一些特性，比如class返回对象的类；isKindOfClass:和isMemberOfClass:则检查对象是否在指定的类继承体系中；respondsToSelector:检查对象能否响应指定的消息；conformsToProtocol:检查对象是否实现了指定协议类的方法；methodForSelector:则返回指定方法实现的地址。

Runtime的函数

Runtime 系统是一个由一系列函数和数据结构组成，具有公共接口的动态共享库。头文件存放于/usr/include/objc目录下。许多函数允许你用纯C代码来重复实现 Objc 中同样的功能。虽然有一些方法构成了NSObject类的基础，但是你在写 Objc 代码时一般不会直接用到这些函数的，除非是写一些 Objc 与其他语言的桥接或是底层的debug工作。在Objective-C Runtime Reference中有对 Runtime 函数的详细文档。

Runtime术语

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还记得引言中的objc_msgSend:方法吧，它的真身是这样的：

id objc_msgSend (idself, SEL op, ... );

下面将会逐渐展开介绍一些术语，其实它们都对应着数据结构。

SEL

objc_msgSend函数第二个参数类型为SEL，它是selector在Objc中的表示类型（Swift中是Selector类）。selector是方法选择器，可以理解为区分方法的 ID，而这个 ID 的数据结构是SEL:

typedef struct objc_selector *SEL;

其实它就是个映射到方法的C字符串，你可以用 Objc 编译器命令@selector()或者 Runtime 系统的sel_registerName函数来获得一个SEL类型的方法选择器。

不同类中相同名字的方法所对应的方法选择器是相同的，即使方法名字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，于是 Objc 中方法命名有时会带上参数类型(NSNumber一堆抽象工厂方法拿走不谢)，Cocoa 中有好多长长的方法哦。

id

objc_msgSend第一个参数类型为id，大家对它都不陌生，它是一个指向类实例的指针：

typedef struct objc_object *id;

那objc_object又是啥呢：

struct objc_object { Class isa; };

objc_object结构体包含一个isa指针，根据isa指针就可以顺藤摸瓜找到对象所属的类。

PS:isa指针不总是指向实例对象所属的类，不能依靠它来确定类型，而是应该用class方法来确定实例对象的类。因为KVO的实现机理就是将被观察对象的isa指针指向一个中间类而不是真实的类，这是一种叫做isa-swizzling的技术，详见官方文档

Class

之所以说isa是指针是因为Class其实是一个指向objc_class结构体的指针：

typedef struct objc_class *Class;

而objc_class就是我们摸到的那个瓜，里面的东西多着呢：

struct objc_class {

Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__

Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;

const char*name                                        OBJC2_UNAVAILABLE;

long version                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;

long instance_size                                      OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_ivar_list *ivars                            OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_cache *cache                                OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_protocol_list *protocols                    OBJC2_UNAVAILABLE;

#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

可以看到运行时一个类还关联了它的超类指针，类名，成员变量，方法，缓存，还有附属的协议。

PS:OBJC2_UNAVAILABLE之类的宏定义是苹果在  Objc  中对系统运行版本进行约束的黑魔法，为的是兼容非Objective-C 2.0的遗留逻辑，但我们仍能从中获得一些有价值的信息，有兴趣的可以查看源代码。

Objective-C 2.0 的头文件虽然没暴露出objc_class结构体更详细的设计，我们依然可以从Objective-C 1.0 的定义中小窥端倪：

在objc_class结构体中：ivars是objc_ivar_list指针；methodLists是指向objc_method_list指针的指针。也就是说可以动态修改*methodLists的值来添加成员方法，这也是Category实现的原理，同样解释了Category不能添加属性的原因。关于二级指针，可以参考这篇文章。而最新版的 Runtime 源码对这一块的描述已经有很大变化，可以参考下美团技术团队的深入理解Objective-C：Category。

PS：任性的话可以在Category中添加@dynamic的属性，并利用运行期动态提供存取方法或干脆动态转发；或者干脆使用关联度对象（AssociatedObject）

其中objc_ivar_list和objc_method_list分别是成员变量列表和方法列表：

struct objc_ivar_list {

int ivar_count                                          OBJC2_UNAVAILABLE;

#ifdef __LP64__

int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;

#endif

/* variable length structure */

struct objc_ivar ivar_list[1]                            OBJC2_UNAVAILABLE;

}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_method_list {

struct objc_method_list *obsolete                        OBJC2_UNAVAILABLE;

int method_count                                        OBJC2_UNAVAILABLE;

#ifdef __LP64__

int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;

#endif

/* variable length structure */

struct objc_method method_list[1]                        OBJC2_UNAVAILABLE;

}

如果你C语言不是特别好，可以直接理解为objc_ivar_list结构体存储着objc_ivar数组列表，而objc_ivar结构体存储了类的单个成员变量的信息；同理objc_method_list结构体存储着objc_method数组列表，而objc_method结构体存储了类的某个方法的信息。

最后要提到的还有一个objc_cache，顾名思义它是缓存，它在objc_class的作用很重要，在后面会讲到。

不知道你是否注意到了objc_class中也有一个isa对象，这是因为一个 ObjC 类本身同时也是一个对象，为了处理类和对象的关系，runtime 库创建了一种叫做元类 (Meta Class) 的东西，类对象所属类型就叫做元类，它用来表述类对象本身所具备的元数据。类方法就定义于此处，因为这些方法可以理解成类对象的实例方法。每个类仅有一个类对象，而每个类对象仅有一个与之相关的元类。当你发出一个类似[NSObject alloc]的消息时，你事实上是把这个消息发给了一个类对象 (Class Object) ，这个类对象必须是一个元类的实例，而这个元类同时也是一个根元类 (root meta class) 的实例。所有的元类最终都指向根元类为其超类。所有的元类的方法列表都有能够响应消息的类方法。所以当[NSObject alloc]这条消息发给类对象的时候，objc_msgSend()会去它的元类里面去查找能够响应消息的方法，如果找到了，然后对这个类对象执行方法调用。

上图实线是super_class指针，虚线是isa指针。 有趣的是根元类的超类是NSObject，而isa指向了自己，而NSObject的超类为nil，也就是它没有超类。

Method

Method是一种代表类中的某个方法的类型。

typedef struct objc_method *Method;

而objc_method在上面的方法列表中提到过，它存储了方法名，方法类型和方法实现：

struct objc_method {

SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;

char* method_types                                      OBJC2_UNAVAILABLE;

IMP method_imp                                          OBJC2_UNAVAILABLE;

}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

1.方法名类型为SEL，前面提到过相同名字的方法即使在不同类中定义，它们的方法选择器也相同。

2.方法类型method_types是个char指针，其实存储着方法的参数类型和返回值类型。

3.method_imp指向了方法的实现，本质上是一个函数指针，后面会详细讲到。

Ivar

Ivar是一种代表类中实例变量的类型。

typedef struct objc_ivar *Ivar;

而objc_ivar在上面的成员变量列表中也提到过：

struct objc_ivar {

char* ivar_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;

char* ivar_type                                          OBJC2_UNAVAILABLE;

int ivar_offset                                          OBJC2_UNAVAILABLE;

#ifdef __LP64__

int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;

#endif

}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

可以根据实例查找其在类中的名字，也就是“反射”：

-(NSString*)nameWithInstance:(id)instance {

unsigned int numIvars =0;

NSString*key=nil;

Ivar * ivars = class_copyIvarList([selfclass], &numIvars);

for(int i =0; i < numIvars; i++) {

Ivar thisIvar = ivars[i];

constchar* type = ivar_getTypeEncoding(thisIvar);

NSString* stringType =  [NSStringstringWithCString:type encoding:NSUTF8StringEncoding];

if(![stringType hasPrefix:@"@"]) {

continue;

}

if((object_getIvar(self, thisIvar) == instance)) {//此处若 crash 不要慌！

key = [NSStringstringWithUTF8String:ivar_getName(thisIvar)];

break;

}

}

free(ivars);

returnkey;

}

class_copyIvarList函数获取的不仅有实例变量，还有属性。但会在原本的属性名前加上一个下划线。

IMP

IMP在objc.h中的定义是：

typedef id(*IMP)(id, SEL, ...);

它就是一个函数指针，这是由编译器生成的。当你发起一个 ObjC 消息之后，最终它会执行的那段代码，就是由这个函数指针指定的。而IMP这个函数指针就指向了这个方法的实现。既然得到了执行某个实例某个方法的入口，我们就可以绕开消息传递阶段，直接执行方法，这在后面会提到。

你会发现IMP指向的方法与objc_msgSend函数类型相同，参数都包含id和SEL类型。每个方法名都对应一个SEL类型的方法选择器，而每个实例对象中的SEL对应的方法实现肯定是唯一的，通过一组id和SEL参数就能确定唯一的方法实现地址；反之亦然。

Cache

在runtime.h中Cache的定义如下：

typedef struct objc_cache *Cache;

还记得之前objc_class结构体中有一个struct objc_cache *cache吧，它到底是缓存啥的呢，先看看objc_cache的实现

struct objc_cache {

unsignedi nt mask/* total = mask + 1 */OBJC2_UNAVAILABLE;

unsigned int occupied                                    OBJC2_UNAVAILABLE;

Method buckets[1]                                        OBJC2_UNAVAILABLE;

};

Cache为方法调用的性能进行优化，通俗地讲，每当实例对象接收到一个消息时，它不会直接在isa指向的类的方法列表中遍历查找能够响应消息的方法，因为这样效率太低了，而是优先在Cache中查找。Runtime 系统会把被调用的方法存到Cache中（理论上讲一个方法如果被调用，那么它有可能今后还会被调用），下次查找的时候效率更高。这根计算机组成原理中学过的 CPU 绕过主存先访问Cache的道理挺像，而我猜苹果为提高Cache命中率应该也做了努力吧。

Property

@property标记了类中的属性，这个不必多说大家都很熟悉，它是一个指向objc_property结构体的指针：

typedef struct objc_property *Property;

typedef struct objc_property *objc_property_t;//这个更常用

可以通过class_copyPropertyList和protocol_copyPropertyList方法来获取类和协议中的属性：

objc_property_t*class_copyPropertyList(Class cls,unsignedint*outCount)

objc_property_t*protocol_copyPropertyList(Protocol *proto,unsignedint*outCount)

返回类型为指向指针的指针，哈哈，因为属性列表是个数组，每个元素内容都是一个objc_property_t指针，而这两个函数返回的值是指向这个数组的指针。

举个栗子，先声明一个类：

@interfaceLender :NSObject {

floatalone;

}

@propertyfloatalone;

@end

你可以用下面的代码获取属性列表：

id LenderClass = objc_getClass("Lender");

unsigned int outCount;

objc_property_t *properties = class_copyPropertyList(LenderClass,&outCount);

你可以用property_getName函数来查找属性名称：

const char *property_getName(objc_property_t property)

你可以用class_getProperty和protocol_getProperty通过给出的名称来在类和协议中获取属性的引用：

objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name)

objc_property_t protocol_getProperty(Protocol *proto, const char *name, BOOL isRequiredProperty, BOOL isInstanceProperty)

你可以用property_getAttributes函数来发掘属性的名称和@encode类型字符串：

const char *property_getAttributes(objc_property_t property)

把上面的代码放一起，你就能从一个类中获取它的属性啦：

id LenderClass = objc_getClass("Lender");

unsigned int outCount, i;

objc_property_t*properties = class_copyPropertyList(LenderClass, &outCount);

for(i =0; i < outCount; i++){

objc_property_t property = properties[i];

fprintf(stdout,"%s %s\n", property_getName(property), property_getAttributes(property));

}

对比下class_copyIvarList函数，使用class_copyPropertyList函数只能获取类的属性，而不包含成员变量。但此时获取的属性名是不带下划线的。