关于iOS动态运行时学习笔记

作者: Mr_Ryan | 来源:发表于2017-10-18 14:42 被阅读0次

一、前言

1、什么是静态语言：
所谓静态语言，就是在程序运行前决定了所有的类型判断，类的所有成员、方法，在编译阶段就确定好了内存地址。即所有类对象只能访问属于自己的成员变量和方法，否则编译器会直接报错。

2、什么是动态语言：
所谓动态语言，指类型的判断、类的成员变量、方法的内存地址，都是在程序的运行阶段才最终确定，并且还能动态的添加成员变量和方法。也就意味着你调用一个不存在的方法时，编译也能通过，甚至一个对象它是什么类型的并不是表面我们所看到的那样，只有运行之后才能决定其真正的类型。

3、什么是运行时:
所谓运行时，就是程序在运行时做的一些事。苹果提供了一套纯C语言的api，即Runtime。

二、Runtime数据结构
在Objective-C中，使用 [receiver message] 语法时，并不会马上执行 receiver 对象的 message 方法的代码，而是向 receiver 发送一条 message 消息，这条消息可能有 receiver 来处理，也可能转发给其他对象来处理，也可能假装没有接收到这条消息而没有处理。

[receiver message] 被编译器转化为： id objc_msgSend（id self， SEL op, … ）;

1、SEL:
SEL 是函数 objc_msgSend 第二个参数的数据类型，表示方法选择器。

// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;

// 获取一个SEL类型的方法选择器
SEL sel1 = @selector(funcname);
SEL sel2 = sel_registerName("funcname");

// 将SEL转化为字符串
NSString *funcString = NSStringFromSelector(sel1);

2、id:
id 是 objc_msgSend 第一个参数的数据类型，id 是通用类型指针，能够表示任何对象，它其实就是一个指向 objc_object 结构体指针，它包含一个 Class isa 成员，根据 isa 指针就可以顺藤摸瓜找到对象所属的类

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

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

3、Class:
isa 指针的数据类型就是 Class， Class 表示对象所属的类， Class 其实也是一个 objc_class 结构体指针。

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

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;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

isa 表示一个对象的Class。
super_class 表示示例对象对应的父类。
name 表示类名。
ivars 表示多个成员变量，它指向 objc_ivar_list 结构体，objc_ivar_list 其实就是一个链表，存储多个 objc_ivar，而 objc_ivar 结构体存储类的单个成员变量信息。
methodLists 表示方法列表，它指向 objc_method_list 结构体的二级指针， objc_method_list也是一个链表，存储多个objc_method，而objc_method结构体存储类的某个方法的信息（可以动态修改 *methodLists的值来添加成员方法，也是Category的实现原理，同样也解析Category不能添加实例变量的原因）。
cache 用来缓存经常访问的方法，它指向 objc_cache 结构体。
protocols 用来表示遵循哪些协议。

4、Method:
Method 表示类中的某个方法，它指向 objc_method 结构体指针，它存储了方法名（method_name），方法类型（method_types），方法实现（method_imp）等信息

/// An opaque type that represents a method in a class definition.
typedef struct objc_method *Method;

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

5、Ivar:
Ivar 表示类中的实例变量，它指向 objc_ivar 结构体指针，包含了变量名（ivar_name），变量类型（ivar_type）等信息。

/// An opaque type that represents an instance variable.
typedef struct objc_ivar *Ivar;

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
}

6、IMP:
IMP 本质上就是一个函数指针，指向方法的实现。当你向某个对象发送一条消息，可以由这个函数指针指定方法的实现，它最终就会执行那段代码，这样可以绕开消息传递阶段而去执行另一个方法实现。

 /// A pointer to the function of a method implementation. 
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...); 
#endif

7、Cache:
Cache 其实就是一个存储 Method 的链表，用来缓存经常调用的方法，主要是为了优化方法调用的性能，当调用方法时，优先在Cache查找，如果没有找到，再到 methodLists 查找。

三、消息发送

在Objective-C中，任何方法的调用，本质都是发送消息。也就是说，我们OC调用一个方法是，其实质就是转换为Runtime中的一个函数 objc_msgSend()，这个函数的作用是向obj对象，发送了一条消息，告诉它，你该去执行某个方法。

1、objc_msgSend函数:

当对象 receiver 调用方法 message 时，首先根据对象 receiver 的 isa 指针查找它对应的类 class。
优先在类 class 的 Cache 中查找 message 方法。
如果没找到，就在类的 methodLists 中搜索方法。
如果还没有找到，就使用 super_class 指针到父类中的 methodLists 查找。
一旦找到 message 这个方法，就执行它实现的 IMP。
如果还没找到，有可能消息转发，也有可能忽略了该方法。

四、消息转发

[receiver message] 调用方法时，如果 message 方法在 receiver 对象的类继承体系中，没有找到方法，一般情况下，程序在运行时就会Crash掉，抛出 unrecognized selector sent to.. 类似的异常信息。但在抛出异常之前，还有三次机会按以下顺序让你拯救程序。

Method Resolution: 由于Method Resolution不能像消息转发那样可以交给其他对象处理，所以只适用于在原来的类中代替掉。
Fast Forwarding: 可以将消息处理转发给其他对象，使用范围更广，不只是限于原来的对象。
Normal Forwarding: 跟Fast Forwarding一样可以消息转发，但它能能过NSInvocation对象获取更多消息发送的信息，如：target、selector、arguments和返回值等信息。

1、Method Resolution:
Objective-C在运行时调用 + resolveInstanceMethod: 或 + resolveClassMethod: 方法，让你添加方法的实现。如果你添加方法并返回YES，那系统在运行时就会重新启动一次消息发送的过程。如果返回NO，运行时就跳转到下一步：消息转发（Message Forwarding）

 // 1、正常情况下
@interface Message : NSObject
- (void)sendMessage:(NSString *)word;
@end

@implementation Message
- (void)sendMessage:(NSString *)word {
    NSLog(@"normal way : send message = %@",word);
}
@end

// 2、注释掉 sendMessage 的实现方法后，覆盖 resolveInstanceMethod 方法：
@interface Message : NSObject
- (void)sendMessage:(NSString *)word;
@end

@implementation Message
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(sendMessage:)) {
        class_addMethod([self class],
                        sel,
                        imp_implementationWithBlock(^(id self, NSString *word){
            NSLog(@"method resolution way : send message = %@",word);
        }), "v@*");
    }
    return YES;
}
@end

其中 v@* 表示方法的返回值和参数，详情参考 Type Encodings 。

2、Fast Forwarding:
如果目标对象实现 - forwardingTargetForSelector: 方法，系统会在运行时调用这个方法，只要这个方法返回的不是nil或者self，也会重启消息发送的过程，把该消息转发给其他对象来处理。否则，就会继续Normal Forwarding.

// 3、注释掉 sendMessage 的实现方法后，覆盖 forwardingTargetForSelector 方法：
@interface Message : NSObject
- (void)sendMessage:(NSString *)word;
@end

@implementation Message
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(sendMessage:)) {
        return [[MessageForwarding alloc] init];
    }
    return nil;
}
@end

// 转发给该对象处理
@interface MessageForwarding : NSObject
- (void)sendMessage:(NSString *)word;
@end

@implementation MessageForwarding
- (void)sendMessage:(NSString *)word {
    NSLog(@"fast forwarding way : send message = %@",word);
}
@end

3、Normal Forwarding:
如果没有使用Fast Forwarding来消息转发，最后只有使用 Normal Forwarding来进行消息转发。

它首先调用 - methodSignatureForSelector: 方法来获取函数的参数和返回值。如果返回nili，程序会Crash掉，并抛出unrecognized selector sent to instance异常信息。如果返回一个函数签名，系统就会创建一个NSInvocation对象并调用 - forwardInvocation: 方法。

// 4、注释掉 sendMessage 的实现方法后，通过 methodSignatureForSelector 方法获取函数签名，并通过 forwardInvocation 方法来转发处理：

@interface Message : NSObject
- (void)sendMessage:(NSString *)word;
@end

@implementation Message
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    NSMethodSignature *methodSignature = [super methodSignatureForSelector:aSelector];
    if (!methodSignature) {
        methodSignature = [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:*"];
    }
    return methodSignature;
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    MessageForwarding *messageForwarding = [[MessageForwarding alloc] init];
    if ([messageForwarding respondsToSelector:anInvocation.selector]) {
        [anInvocation invokeWithTarget:messageForwarding];
    }
}
@end

// 转发给该对象处理
@interface MessageForwarding : NSObject
- (void)sendMessage:(NSString *)word;
@end

@implementation MessageForwarding
- (void)sendMessage:(NSString *)word {
    NSLog(@"fast forwarding way : send message = %@",word);
}
@end

五、我们可以用运行时做什么

1、互换方法的实现:
因为 selector 和 IMP 之间的关系是在运行时才决定的，所以我们可以通过 void method_exchangeImplementations(Method m1, Method m2) 方法来改变 selector 和 IMP 的对应关系。

@implementation NSObject (ExchangeMethod)

// 此方法会在此类第一次被加进内存是调用，且仅调用一次
+ (void)load {
    // 获取系统的dealloc方法
    Method m1 = class_getInstanceMethod(self, NSSelectorFromString(@"dealloc"));
    // 获取自己声明的my_dealloc
    Method m2 = class_getInstanceMethod(self, @selector(my_dealloc));
    
    // 交换两个方法的实现，即调用dealloc方法时，会实现my_dealloc，调用my_dealloc方法时，才会调用
    method_exchangeImplementations(m1, m2);
}

- (void)my_dealloc {
    // do something
    NSLog(@"my_dealloc");
    
    // 这里需要调用自己，调用自己就是调用原来的dealloc进行释放操作
    [self my_dealloc];
}

@end

2、动态添加方法:
动态语言调用一个没有的方法时，编译阶段不会报错，但是运行时便会抛出异常闪退，但我们可以动态为某个了添加方法。这里用到的其实就是上面提到的，消息转发时的拯救程序机制。

3、动态添加属性:
有时我们想为系统的类或者一些不便修改的第三方框架的类，增加一些自定义的属性，以满足开发的需求。比如使用类目，但是类目只能为一个类添加方法，不能添加属性。这是便可用到下面的方法：

#import "UIView+TintColor.h"
#import <objc runtime="runtime">


@implementation UIView (TintColor)

- (nullable NSString *)tintColorName {
    return objc_getAssociatedObject(self, @selector(tintColorName));
}

- (void)setTintColorName:(NSString *)tintColorName {
    if (!tintColorName || tintColorName.length == 0) {
        return;
    }
    UIColor *color;
    SEL sel = NSSelectorFromString(tintColorName);
    if ([UIColor respondsToSelector:sel]) {
        color = [UIColor performSelector:sel];
    }
    if (!color) {
        return;
    }
    self.tintColor = color;
    
    objc_setAssociatedObject(self,
                             @selector(tintColorName),
                             tintColorName,
                             OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
}

@end

4、获取类中所有的成员变量和属性:
在开发中，有时会遇到想要改变系统自带类的某一个值，却找不到与之对应的api，便可用运行时来获取该类的所有成员变量。

// 获取类中所有的成员变量
Ivar *class_copyIvarList(Class cls, unsigned int *outCount) 
// 获取类中所有的属性
objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name)

unsigned int count;
    Ivar *ivars = class_copyIvarList([UIButton class], &count);
    for (NSInteger i = 0; i < count; i++) {
        // 取出成员变量
        Ivar ivar = ivars[i];
        // 获取属性名字
        NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
        // 获取属性类型
        NSString *type = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getTypeEncoding(ivar)];
        
        NSLog(@"%@:%@",type,name);
    }

六、结束语

将XCode升级到6后，报Too many arguments to function call, expected 0, have *，在XCode5.1里能编译通过的，到xcode6就报错

objc_msgSend(self.beginRefreshingTaget, self.beginRefreshingAction, self);

Too many arguments to function call, expected 0, have *

解决办法：
选中项目 - Project - Build Settings - Enable Strict Checking of objc_msgSend Calls 将其设置为 NO 即可

关于iOS动态运行时学习笔记

一、前言

三、消息发送

四、消息转发

五、我们可以用运行时做什么

六、结束语

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