为什么Category无法添加实例变量？
Category是无法添加实例变量的，当一个类被编译时，实例变量的布局也就形成了，如果Category在运行时添加实例变量就会破坏类的内存布局，这对编译型语言来说是灾难性的。
https://tech.meituan.com/DiveIntoCategory.html
http://yulingtianxia.com/blog/2014/11/05/objective-c-runtime/
https://stackoverflow.com/questions/39429512/objective-c-categories-doesnt-allow-to-add-instance-variables?noredirect=1&lq=1
https://stackoverflow.com/questions/39429512/objective-c-categories-doesnt-allow-to-add-instance-variables?noredirect=1&lq=1
为什么category里的方法会覆盖掉类里同名的方法
在运行时，category的方法被添加到类的方法列表里，并且会被添加到类原有的方法的前面。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停止查找。
Category是如何给类添加方法的？
在运行时会把Category里的方法添加到类里。
在runtime的源码(我看的是objc4-723)objc-runtime-new.h里可以找到Category的定义：
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;
// Fields below this point are not always present on disk.
struct property_list_t *_classProperties;
};
自定义一个类：
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：
clang -rewrite-objc MyClass.m
然后打开得到的MyClass.cpp文件,在文件最后可以找到下面的代码：
struct _category_t {
const char *name;
struct _class_t *cls;
const struct _method_list_t *instance_methods;
const struct _method_list_t *class_methods;
const struct _protocol_list_t *protocols;
const struct _prop_list_t *properties;
};
//生成实例方法列表
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}}
};
//生成属性列表
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"}}
};
//生成category本身
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_$_MyAddition,
};
static struct _category_t *L_OBJC_LABEL_CATEGORY_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_catlist,regular,no_dead_strip")))= {
&_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition,
};
- 编译器会先生成实例方法列表
_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition和属性列表_OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition __attribute__。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； - 之后，编译器会生成Category本身
_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition，并且使用上面已经生成的实例方法列表和属性列表来初始化； - 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。
对于OC运行时，入口方法如下（在objc-os.mm文件中）：
/***********************************************************************
* _objc_init
* Bootstrap initialization. Registers our image notifier with dyld.
* Called by libSystem BEFORE library initialization time
**********************************************************************/
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：
// Discover categories.
for (EACH_HEADER) {
category_t **catlist =
_getObjc2CategoryList(hi, &count);
bool hasClassProperties = hi->info()->hasCategoryClassProperties();
for (i = 0; i < count; i++) {
category_t *cat = catlist[I];
Class cls = remapClass(cat->cls);
if (!cls) {
// Category's target class is missing (probably weak-linked).
// Disavow any knowledge of this category.
catlist[i] = nil;
if (PrintConnecting) {
_objc_inform("CLASS: IGNORING category \?\?\?(%s) %p with "
"missing weak-linked target class",
cat->name, cat);
}
continue;
}
// Process this category.
// First, register the category with its target class.
// Then, rebuild the class's method lists (etc) if
// the class is realized.
bool classExists = NO;
//把category的实例方法、协议以及属性添加到类上
if (cat->instanceMethods || cat->protocols
|| cat->instanceProperties)
{
addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);
if (cls->isRealized()) {
remethodizeClass(cls);
classExists = YES;
}
if (PrintConnecting) {
_objc_inform("CLASS: found category -%s(%s) %s",
cls->nameForLogging(), cat->name,
classExists ? "on existing class" : "");
}
}
//把category的类方法、协议以及类属性添加到元类上
if (cat->classMethods || cat->protocols
|| (hasClassProperties && cat->_classProperties))
{
addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi);
if (cls->ISA()->isRealized()) {
remethodizeClass(cls->ISA());
}
if (PrintConnecting) {
_objc_inform("CLASS: found category +%s(%s)",
cls->nameForLogging(), cat->name);
}
}
}
}
首先，我们拿到的catlist就是上节中讲到的编译器为我们准备的category_t数组，之后做了两件事：
- 把category的实例方法、协议以及属性添加到类上；
- 把category的类方法、协议以及类属性添加到元类上。
addUnattachedCategoryForClass只是把类和category做一个关联映射，而remethodizeClass才是真正去处理添加事宜的函数:
/***********************************************************************
* remethodizeClass
* Attach outstanding categories to an existing class.
* Fixes up cls's method list, protocol list, and property list.
* Updates method caches for cls and its subclasses.
* Locking: runtimeLock must be held by the caller
**********************************************************************/
static void remethodizeClass(Class cls)
{
category_list *cats;
bool isMeta;
runtimeLock.assertWriting();
isMeta = cls->isMetaClass();
// Re-methodizing: check for more categories
if ((cats = unattachedCategoriesForClass(cls, false/*not realizing*/))) {
if (PrintConnecting) {
_objc_inform("CLASS: attaching categories to class '%s' %s",
cls->nameForLogging(), isMeta ? "(meta)" : "");
}
attachCategories(cls, cats, true /*flush caches*/);
free(cats);
}
}
而对于添加类的实例方法而言，又会去调用attachCategories这个方法，我们去看下attachCategories：
// Attach method lists and properties and protocols from categories to a class.
// Assumes the categories in cats are all loaded and sorted by load order,
// oldest categories first.
static void
attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches)
{
if (!cats) return;
if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats);
bool isMeta = cls->isMetaClass();
// 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;
while (i--) {
auto& entry = cats->list[I];
//将所有的category的实例方法列表放到mlists列表中
method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
if (mlist) {
mlists[mcount++] = mlist;
fromBundle |= entry.hi->isBundle();
}
//将所有的category的属性列表放到proplists列表中
property_list_t *proplist =
entry.cat->propertiesForMeta(isMeta, entry.hi);
if (proplist) {
proplists[propcount++] = proplist;
}
//将所有的category的协议列表放到protolists列表中
protocol_list_t *protolist = entry.cat->protocols;
if (protolist) {
protolists[protocount++] = protolist;
}
}
auto rw = cls->data();
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);
}
attachCategories做的工作相对比较简单，它只是把所有category的实例方法列表拼成了一个大的实例方法列表，然后转交给了attachLists函数，attachLists函数在objc-runtime-new.h中：
void attachLists(List* const * addedLists, uint32_t addedCount) {
if (addedCount == 0) return;
if (hasArray()) {
// many lists -> many lists
uint32_t oldCount = array()->count;
uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
setArray((array_t *)realloc(array(), array_t::byteSize(newCount)));
array()->count = newCount;
memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists,
oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
memcpy(array()->lists, addedLists,
addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
}
else if (!list && addedCount == 1) {
// 0 lists -> 1 list
list = addedLists[0];
}
else {
// 1 list -> many lists
List* oldList = list;
uint32_t oldCount = oldList ? 1 : 0;
uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
setArray((array_t *)malloc(array_t::byteSize(newCount)));
array()->count = newCount;
if (oldList) array()->lists[addedCount] = oldList;
memcpy(array()->lists, addedLists,
addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
}
}
从上面的memcpy(array()->lists, addedLists, addedCount * sizeof(array()->lists[0])); }可以看出，category的方法会被添加到类原有的方法的前面。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的原因。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停止查找。
类的多个类别有相同方法名
如果类或类别实现了+load方法，当类或类别被加入到OC的runtime时，会调用类或类别实现的+load方法，并且类的load方法在类别的load方法之前调用。如果有多个类别实现了+load方法，则多个类别里的+load方法的调用顺序是由compile sources里的文件顺序决定的，在compile sources里后面的category文件会先调用+load方法。
类和类别里其他的同名方法在调用时，类别里的方法会取代类里的方法（原因之前有提到），多个类别里的同名方法会调用哪一个也是由compile sources里的category文件顺序决定的。
如果类别里有和类同名的方法，会调用类别里的方法，如果一个类有多个类别且每个类别里都有同名的方法，那么调用那个方法是由build phase里的顺序决定的。在build phase里后编译的category，在运行时里category的方法会被添加到类的方法列表里前面的位置。
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）:
此时的complie sources里的顺序是这样的:
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[63746]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category1
objc[63746]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category2
···
···
···
objc[64365]: LOAD: class 'MyClass' scheduled for +load
objc[64365]: LOAD: category 'MyClass(Category1)' scheduled for +load
objc[64365]: LOAD: category 'MyClass(Category2)' scheduled for +load
objc[63746]: LOAD: +[MyClass load]
objc[63746]: LOAD: +[MyClass(Category1) load]
objc[63746]: LOAD: +[MyClass(Category2) load]
可以看出，类的printName方法会被Category2里的printName取代；+load方法的调用顺序是先调用类里的load方法，然后类别里的load方法的调用顺序和编译顺序是一致的。并且category的方法添加到类里的工作实现与load方法调用的，因此可以在load方法里调用
换一下complie sources里的顺序：
objc[63746]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category2
objc[63746]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category1
···
···
···
objc[64433]: LOAD: class 'MyClass' scheduled for +load
objc[64433]: LOAD: category 'MyClass(Category2)' scheduled for +load
objc[64433]: LOAD: category 'MyClass(Category1)' scheduled for +load
objc[64433]: LOAD: +[MyClass load]
objc[64433]: LOAD: +[MyClass(Category2) load]
objc[64433]: LOAD: +[MyClass(Category1) load]
此时category1里的printName会最终取代类里的printName。
通过关联对象的方法添加属性
Category里可以添加属性，但只会添加setter和getter方法的声明，不会添加setter和getter方法的实现和实例变量，
我们可以通过 Associated Objects 来弥补不能添加实例变量这一不足。
相关函数：
/**
* Sets an associated value for a given object using a given key and association policy.
*
* @param object The source object for the association.
* @param key The key for the association.
* @param value The value to associate with the key key for object. Pass nil to clear an existing association.
* @param policy The policy for the association. For possible values, see “Associative Object Behaviors.”
*
*/
OBJC_EXPORT void
objc_setAssociatedObject(id _Nonnull object, const void * _Nonnull key,
id _Nullable value, objc_AssociationPolicy policy)
/**
* Returns the value associated with a given object for a given key.
*
* @param object The source object for the association.
* @param key The key for the association.
*
* @return The value associated with the key \e key for \e object.
*/
OBJC_EXPORT id _Nullable
objc_getAssociatedObject(id _Nonnull object, const void * _Nonnull key)
- objc_setAssociatedObject 用于给对象添加关联对象，传入 nil 则可以移除已有的关联对象；
- objc_getAssociatedObject 用于获取关联对象；
这两个方法都要传入一个key值，这个 key 值必须保证是一个对象级别（的唯一常量。一般来说，有以下三种推荐的 key 值：
- 声明 static char kAssociatedObjectKey; ，使用 &kAssociatedObjectKey 作为 key 值;
- 声明 static void *kAssociatedObjectKey = &kAssociatedObjectKey; ，使用 kAssociatedObjectKey 作为 key 值；
- 用selector ，使用 getter 方法的名称作为 key 值。
@interface MyClass (Category1)
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end
#import "MyClass+Category1.h"
#import <objc/runtime.h>
@implementation MyClass (Category1)
- (void)setName:(NSString *)name{
objc_setAssociatedObject(self, @selector(name), name, OBJC_ASSOCIATION_COPY);
}
- (NSString *)name{
return objc_getAssociatedObject(self, _cmd);
}
@end
typedef OBJC_ENUM(uintptr_t, objc_AssociationPolicy) {
OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN = 0, /**< Specifies a weak reference to the associated object. */
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC = 1, /**< Specifies a strong reference to the associated object.
* The association is not made atomically. */
OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC = 3, /**< Specifies that the associated object is copied.
* The association is not made atomically. */
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN = 01401, /**< Specifies a strong reference to the associated object.
* The association is made atomically. */
OBJC_ASSOCIATION_COPY = 01403 /**< Specifies that the associated object is copied.
* The association is made atomically. */
};
如果使用OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN,当对象的关联对象释放了，调用objc_getAssociatedObject()会崩溃。因为objc_setAssociatedObject ()存储的是关联对象的地址，虽然关联对象释放了，但是对象存储的关联对象的地址并没有被移除，此时调用objc_getAssociatedObject()会崩溃。所以我们在使用弱引用的关联对象时要非常小心。
关联对象存在什么地方呢？ 如何存储？ 对象销毁时候如何处理关联对象呢？
所有的关联对象都是由一个类AssociationsManager管理的，AssociationsManager里面是有一个静态的AssociationsHashMap来存储所有的关联对象的。AssociationsHashMap的key是对象的指针地址，value是ObjectAssociationMap，ObjectAssociationMap也是一个哈希表，里面存放了以key为指针地址的对象的所有的关联对象的key-value。
一个对象的所有关联对象是在这个对象被释放时调用的 _object_remove_assocations 函数中被移除的。
http://blog.leichunfeng.com/blog/2015/06/26/objective-c-associated-objects-implementation-principle/
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