iOS开发 -- Runtime 的几个小例子

一、什么是 Runtime（也就是所谓的“运行时”，因为是在运行时实现的。）

• 1.Runtime 是一套底层的c语言API(包括很多强大实用的c语言类型,c语言函数); [runtime运行系统]
• 2.实际上,平时我们编写的oc代码,底层都是基于 Runtime 实现的; [OC语言的动态性]

运行时系统 (runtime system)，对于C语言，使用“静态绑定”，函数的调用在编译的时候就会决定运行时调用哪个函数。对于OC的函数，属于“动态调用”过程，在编译的时候并不能决定真正调用哪个函数，只有在真正运行的时候才会根据函数的名称找到对应的函数来调用，甚至可以在运行时改变方法的调用。Runtime就是OC辛苦的幕后工作人员。（编译器会自动帮助我们编译成 Runtime 代码。）
动态特性:使得它在语言层面上支持程序的可扩展性。只有在程序运行时，才会去确定对象的类型，并调用类与对象相应的方法。利用runtime机制让我们可以在程序运行时动态修改类的具体实现、包括类中的所有私有属性、方法。这也是本文runtime例子的出发点。
我们所敲入的代码转化为运行时的runtime函数代码，最终在程序运行时转成了底层的runtime的c语言代码;
举例：
当某个对象使用语法[receiver message]来调用某个方法时，其实[receiver message]被编译器转化为：

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

也就是说,我们平时编写的oc代码，方法调用的本质，就是在编译阶段，编译器转化为向对象发送消息。

【本次开发环境： Xcode:7.2 iOS Simulator:iphone6 By: 啊左
本文Demo下载链接：runtime-Demo】

二、runtime的几种使用方法

我们通过继承于NSObject的person类，来对runtime进行学习。
本文共有6个关于runtime机制方法的小例子，分别是：

• 1.获取person类的所有变量；
• 2.获取person类的所有方法；
• 3.改变person类的私有变量name的值；
• 4.为person的category类增加一个新属性；
• 5.为person类添加一个方法；
• 6.交换person类的2个方法的功能；

（个人习惯，喜欢为6个例子添加按钮各自的行为方法，并分别执行相应的行为，以此看清各个runtime函数的具体功能所带来的效果。）

首先，创建新的项目，并在项目中新建一个普通的OC类：person类(继承于NSObject)，为了避免后面与其他方法函数搞混，我们把完整的person类编写齐全，用于后面使用runtime的几种方法：
①person.h如下：

#import <Foundation/Foundation.h>
@interface person : NSObject
@property (nonatomic,assign)int age;  //属性变量
-(void)func1;
-(void)func2;
@end

②person.m如下：

#import "person.h"
@implementation person{ 
  NSString *name; //实例变量
}
//初始化person属性
-(instancetype)init{ 
self = [super init]; 
if(self) { 
  name = @"Tom"; 
  self.age = 12; 
} 
return self;
}
//person的2个普通方法
-(void)func1{ 
  NSLog(@"执行func1方法。");
}-(void)func2{ 
  NSLog(@"执行func2方法。");
}
//输出person对象时的方法：
-(NSString *)description{ 
return [NSString stringWithFormat:@"name:%@ age:%d",name,self.age];
}
@end

从person类的描述中，我们可以看到person类含有一个可供外类使用的共有属性age，以及一个外界不可以访问私有属性name，但是，有木有想过，其实在外类，name也是可以访问的。OC里面，通过runtime系统，苹果允许不受这些私有属性的限制，对私有属性私有方法等进行访问、添加、修改、甚至替换系统的方法。
那么，为项目的故事板添加6个按钮；

#import <objc/runtime.h>  //（在需要使用runtime的实现文件.m中包含即可.）

1.获取person类的所有变量

将第一个按钮关联到ViewController.h，添加行为并命名其方法为：“getAllVariable”：

- (IBAction)getAllVariable:(UIButton *)sender; //获取所有变量

在ViewController.m中的实现如下：

/*1.获取person所有的成员变量*/
- (IBAction)getAllVariable:(UIButton *)sender {
unsigned int count = 0; 
//获取类的一个包含所有变量的列表，IVar是runtime声明的一个宏，是实例变量的意思. 
Ivar *allVariables = class_copyIvarList([person class], &count); 
for(int i = 0;i<count;i++) 
{ 
//遍历每一个变量，包括名称和类型（此处没有星号"*"） 
Ivar ivar = allVariables[i]; 
const char *Variablename = ivar_getName(ivar); //获取成员变量名称 
const char *VariableType = ivar_getTypeEncoding(ivar); //获取成员变量类型 
NSLog(@"(Name: %s) ----- (Type:%s)",Variablename,VariableType); 
}
}

点击按钮后，得到的输出如下：(i表示类型为int)

2016-05-18 17:17:10.502 runtime运行时[10164:452725] (Name: name) ----- (Type:@"NSString")
2016-05-18 17:17:10.503 runtime运行时[10164:452725] (Name: _age) ----- (Type:i) 

分析：Ivar，一个指向objc_ivar结构体指针,包含了变量名、变量类型等信息。
可以看到，私有属性name能够访问到了。 在有些项目中，为了对某些私有属性进行隐藏，某些.h文件中没有出现相应的显式创建，而是如上面的person类中，在.m中进行私有创建，但是我们可以通过runtime这个有效的方法，访问到所有包括这些隐藏的私有变量。
拓展：
① class_copyIvarList能够获取一个含有类中所有成员变量的列表，列表中包括属性变量和实例变量。需要注意的是，如果如本例中，age返回的是"_age"，但是如果在person.m中加入：@synthesize age;
那么控制台第二行返回的是"(Name: age) ----- (Type:i) ；"
（因为@property是生成了"_age"，而@synthesize是执行了"@synthesize age = _age;"，关于OC属性变量与实例变量的区别、@property、@synthesize的作用等具体的知识，有兴趣的童鞋可以自行了解。）

②如果单单需要获取属性列表的话，可以使用函数：class_copyPropertyList（）;只是返回的属性变量仅仅是“age”，做为实例变量的name是不被获取的。
而class_copyIvarList（）函数则能够返回实例变量和属性变量的所有成员变量。

2.获取person类的所有方法

将第二个按钮关联到ViewController.h，添加行为并命名其方法为：“getAllMethod”：

- (IBAction)getAllMethod:(UIButton *)sender;  //获取所有方法

在ViewController.m中的实现如下：

/*2.获取person所有方法*/
- (IBAction)getAllMethod:(UIButton *)sender {
unsigned int count;
//获取方法列表，所有在.m文件显式实现的方法都会被找到，包括setter+getter方法； 
Method *allMethods = class_copyMethodList([person class], &count); 
for(int i =0;i<count;i++)
{ 
//Method，为runtime声明的一个宏，表示对一个方法的描述 
Method md = allMethods[i]; 
//获取SEL：SEL类型,即获取方法选择器@selector() 
SEL sel = method_getName(md); 
//得到sel的方法名：以字符串格式获取sel的name，也即@selector()中的方法名称 
const char *methodname = sel_getName(sel); NSLog(@"(Method:%s)",methodname); 
}
}

点击按钮后，控制台输出：

2016-05-19 17:05:19.880 runtime运行时[14054:678124] (Method:func1)
2016-05-19 17:05:19.881 runtime运行时[14054:678124] (Method:func2)
2016-05-19 17:05:19.881 runtime运行时[14054:678124] (Method:setAge:)
2016-05-19 17:05:19.881 runtime运行时[14054:678124] (Method:age)
2016-05-19 17:05:19.881 runtime运行时[14054:678124] (Method:.cxx_destruct) 
2016-05-19 17:05:19.882 runtime运行时[14054:678124] (Method:description)
2016-05-19 17:05:19.882 runtime运行时[14054:678124] (Method:init)

控制台输出了包括set和get等方法名称。【备注：.cxx_destruct方法是关于系统自动内存释放工作的一个隐藏的函数，当ARC下，且本类拥有实例变量时，才会出现；】
分析：Method是一个指向objc_method结构体指针，表示对类中的某个方法的描述。在API中的定义：typedef struct objc_method Method;
而objc_method结构体如下：

truct objc_method { 
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE; 
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE; 
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;
} 

• method_name :方法选择器@selector()，类型为SEL。 相同名字的方法下，即使在不同类中定义，它们的方法选择器也相同。
• method_types：方法类型，是个char指针，存储着方法的参数类型和返回值类型。
• method_imp：指向方法的具体实现的指针，数据类型为IMP，本质上是一个函数指针。 在第五个按钮行为“增加一个方法”部分会提到。

SEL：数据类型，表示方法选择器，可以理解为对方法的一种包装。在每个方法都有一个与之对应的SEL类型的数据，根据一个SEL数据“@selector(方法名)”就可以找到对应的方法地址，进而调用方法。
因此可以通过：获取 Method结构体->得到SEL选择器名称->得到对应的方法名 ，这样的方式，便于认识OC中关于方法的定义。

3.改变person对象的私有变量name的值.

将第三个按钮关联到ViewController.h，添加行为并命名其方法为：“changeVariable”：

- (IBAction)changeVariable:(UIButton *)sender;//改变其中name变量

在ViewController.m中创建一个person对象，记得初始化

@implementation ViewController{ 
  person *per; //创建一个person实例
}
- (void)viewDidLoad { 
  [super viewDidLoad]; 
  per = [[person alloc]init]; //记得要初始化...不然后果自己尝试下
}

在ViewController.m中的实现如下：

/*3.改变person的name变量属性*/
- (IBAction)changeVariable:(UIButton *)sender {

NSLog(@"改变前的person：%@",per); 

unsigned int count = 0;
Ivar *allList = class_copyIvarList([person class], &count); 
Ivar ivv = allList[0]; //从第一个例子getAllVariable中输出的控制台信息，我们可以看到name为第一个实例属性。 
object_setIvar(per, ivv, @"Mike"); //name属性Tom被强制改为Mike。 

NSLog(@"改变之后的person：%@",per);
}

点击按钮后，控制台输出：

2016-05-19 22:45:05.125 runtime运行时[1957:34730] 改变前的person：name:Tom age:12
2016-05-19 22:45:05.126 runtime运行时[1957:34730] 改变之后的person：name:Mike age:12

4.为person的category类增加一个新属性：

如何在不改动某个类的前提下，添加一个新的属性呢？
答：可以利用runtime为分类添加新属性。
在iOS中，category，也就是分类，是不可以为本类添加新的属性的，但是在runtime中我们可以使用对象关联，为person类进行分类的新属性创建：
①新建一个新的OC类：

命名为：PersonCategory ，点击next：

#import "person.h"
@interface person (PersonCategory)
@property (nonatomic,assign)float height; //新属性@end

“person+PersonCategory.m”类的代码如下：

#import "person+PersonCategory.h"
#import <objc/runtime.h> //runtime API的使用需要包含此头文件

const char * str = "myKey"; //做为key，字符常量 必须是C语言字符串；

@implementation person (PersonCategory)

-(void)setHeight:(float)height{ 
NSNumber *num = [NSNumber numberWithFloat:height]; 
/* 
第一个参数是需要添加属性的对象； 
第二个参数是属性的key; 
第三个参数是属性的值,类型必须为id，所以此处height先转为NSNumber类型； 
第四个参数是使用策略，是一个枚举值，类似@property属性创建时设置的关键字，可从命名看出各枚举的意义； 
objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy);
*/ 
objc_setAssociatedObject(self, str, num, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}

//提取属性的值: 
-(float)height{ 
NSNumber *number = objc_getAssociatedObject(self, str);
return [number floatValue];
}
@end

接下来，我们可以在ViewController.m中对person的一个对象进行height的访问了，
将第四个按钮关联到ViewController.h添加行为并命名其方法为：“addVariable：”（记得：#import "person+PersonCategory.h"）

- (IBAction)addVariable:(UIButton *)sender;

在ViewController.m中的实现如下：

/* 4.添加新的属性*/
- (IBAction)addVariable:(UIButton *)sender { 
per.height = 12;           //给新属性height赋值 
NSLog(@"%f",[per height]); //访问新属性值
}

点击按钮四、再点击按钮一、二获取类的属性、方法。

2016-05-20 15:39:54.432 runtime运行时[4605:178974] 12.000000
2016-05-20 15:39:56.295 runtime运行时[4605:178974] (Name: name) ----- (Type:@"NSString")
2016-05-20 15:39:56.296 runtime运行时[4605:178974] (Name: _age) ----- (Type:i)
2016-05-20 15:39:57.195 runtime运行时[4605:178974] (Method:func1)
2016-05-20 15:39:57.196 runtime运行时[4605:178974] (Method:func2)
2016-05-20 15:39:57.196 runtime运行时[4605:178974] (Method:setAge:)
2016-05-20 15:39:57.196 runtime运行时[4605:178974] (Method:age)
2016-05-20 15:39:57.196 runtime运行时[4605:178974] (Method:.cxx_destruct)
2016-05-20 15:39:57.197 runtime运行时[4605:178974] (Method:description)
2016-05-20 15:39:57.197 runtime运行时[4605:178974] (Method:init)
2016-05-20 15:39:57.197 runtime运行时[4605:178974] (Method:height)
2016-05-20 15:39:57.197 runtime运行时[4605:178974] (Method:setHeight:)

分析：可以看到分类的新属性可以在per对象中对新属性height进行访问赋值。
获取到person类属性时，依然没有height的存在，但是却有height和setHeight这两个方法；因为在分类中，即使使用@property定义了，也只是生成set+get方法，而不会生成_变量名，分类中是不允许定义变量的。
使用runtime中objc_setAssociatedObject()和objc_getAssociatedObject()方法，本质上只是为对象per添加了对height的属性关联，但是达到了新属性的作用；
使用场景：假设imageCategory是UIImage类的分类，在实际开发中，我们使用UIImage下载图片或者操作过程需要增加一个URL保存一段地址，以备后期使用。这时可以尝试在分类中动态添加新属性MyURL进行存储。

5.为person类添加一个新方法；

将第五个按钮关联到ViewController.h，添加行为并命名其方法为：“addMethod”：

- (IBAction)addMethod:(UIButton *)sender;

在ViewController.m中的实现如下：

/*5.添加新的方法试试(这种方法等价于对Father类添加Category对方法进行扩展)：*/
- (IBAction)addMethod:(UIButton *)sender { 
/* 动态添加方法： 
  第一个参数表示Class cls 类型； 
  第二个参数表示待调用的方法名称； 
  第三个参数(IMP)myAddingFunction，IMP一个函数指针，这里表示指定具体实现方法myAddingFunction； 
  第四个参数表方法的参数，0代表没有参数； 
*/ 
  class_addMethod([per class], @selector(NewMethod), (IMP)myAddingFunction, 0); 
  //调用方法 【如果使用[per NewMethod]调用方法，在ARC下会报“no visible @interface"错误】 
  [per performSelector:@selector(NewMethod)];
}

//具体的实现（方法的内部都默认包含两个参数Class类和SEL方法，被称为隐式参数。）
int myAddingFunction(id self, SEL _cmd){ 
  NSLog(@"已新增方法:NewMethod"); 
  return 1;
}

点击按钮后，控制台输出：

2016-05-20 14:08:55.822 runtime运行时[1957:34730] 已新增方法:NewMethod

6.交换person类的2个方法的功能：

将第六个按钮关联到ViewController.h，添加行为并命名其方法为：“replaceMethod”：

- (IBAction)replaceMethod:(UIButton *)sender;

在ViewController.m中的实现如下：

/* 6.交换两种方法之后（功能对调），可以试试让苹果乱套... */
- (IBAction)replaceMethod:(UIButton *)sender { 
Method method1 = class_getInstanceMethod([person class], @selector(func1)); 
Method method2 = class_getInstanceMethod([person class], @selector(func2)); 

//交换方法 
method_exchangeImplementations(method1, method2); 
[per func1]; //输出交换后的效果，需要对比的可以尝试下交换前运行func1；
}

点击按钮后，控制台输出：

2016-05-20 14:11:57.381 runtime运行时[1957:34730] 执行func2方法。

交换方法的使用场景：项目中的某个功能，在项目中需要多次被引用，当项目的需求发生改变时，要使用另一种功能代替这个功能，且要求不改变旧的项目(也就是不改变原来方法实现的前提下)。那么，我们可以在分类中，再写一个新的方法(符合新的需求的方法)，然后交换两个方法的实现。这样，在不改变项目的代码，而只是增加了新的代码的情况下，就完成了项目的改进，很好地体现了该项目的封装性与利用率。
注：交换两个方法的实现一般写在类的load方法里面，因为load方法会在程序运行前加载一次。

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