runtime 运行时之一：类与对象

作者: 阳光下的小泡沫丶 | 来源:发表于2017-11-15 11:30 被阅读0次

本文章是我照着南峰子的runtime博客写的，加上了一点自己的见解，作为自己的学习笔记，侵删。
附上原博客地址：南峰子的技术博客

如有错误的地方欢迎指出。

runtime 运行时之一：类与对象

Object-C是一门动态语言，它将很多静态语言在编译和连接时期做的事情放到了运行时来做。

优势:代码更具有灵活性。

这种特性意味着Objective-C不仅需要一个编译器，还需要一个运行时系统来执行编译的代码。这个运行时系统就是Objc Runtime。

Objc Runtime其实就是一个runtime库，它基本上是用C和汇编写的。这个库使得C语言有了面向对象的能力。

Runtime库主要做了下面几件事情：

封装：在这个库中，对象可以用C语言的结构体表示，方法可以用C函数来实现，另外再加上了一些额外的特性。这些结构体和函数被Runtime函数封装后，我们就可以在程序运行时创建，检查，修改类、对象和他们的方法了。
找出方法的最终执行代码：当程序执行 [object doSomething]时，会向消息接受者(object)发送一条消息(doSomething)，runtime会根据消息接收者是否能响应该消息而做出不同的反应。这将在后面详细介绍。

所以我们会说Objective-C的底层是C语言。

Objective-C runtime目前有两个版本：Modern runtime和Legacy runtime。Modern Runtime覆盖了64位的Mac OS X Apps，还有iOS Apps，Legacy Runtime是早期用来给32位 Mac OS X Apps 用的，也就是可以不用管就是了。

类和对象基础数据结构

Class

Objective-C类是由Class类型来表示的，他实际上是一个指向objc_class结构体的指针。它的定义如下：

typedef struct objc_class *Class;

查看objc/runtime.h中objc_class结构体的定义如下：

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
 #if !__OBJC2__
    Class super_class                       OBJC2_UNAVAILABLE;  // 父类
    const char *name                        OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类名
    long version                            OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类的版本信息，默认为0
    long info                               OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类信息，供运行期使用的一些位标识
    long instance_size                      OBJC2_UNAVAILABLE;  // 该类的实例变量大小
    struct objc_ivar_list *ivars            OBJC2_UNAVAILABLE;  // 该类的成员变量链表
    struct objc_method_list **methodLists   OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法定义的链表
    struct objc_cache *cache                OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法缓存
    struct objc_protocol_list *protocols    OBJC2_UNAVAILABLE;  // 协议链表
 #endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

在定义中，下面几个字段使我们感兴趣的

isa:在Object-C中，所有实例的isa指针指向类，所有的类自身也是一个对象，这个对象的Class也有一个isa指针，它指向metaClass(元类)，我们会在后面介绍它。
super_class:指向该类的父类，如果该类已经是最顶层的跟类(如NSObject或NSProxy),则super_class为NULL。
cache:用于缓存最近使用的方法。一个接收者对象接收到一个消息时，它会根据isa指针去查找能够响应这个消息的对象。在实际使用中，这个对象只有一部分方法是常用的，很多方法其实很少用或者根本用不上。这种情况下，如果每次消息来时，我们都是methodLists中遍历一遍，性能势必很差。这时，cache就派上用场了。在我们每次调用过一个方法后，这个方法就会被缓存到cache列表中，下次调用的时候runtime就会优先去cache中查找，如果cache没有，才去methodLists中查找方法。这样，对于那些经常用到的方法的调用，但提高了调用的效率。
version:我们使用这个字段来提供类的版本信息。这对于对象的序列化非常有用，它可是让我们识别出不同类定义版本中实例布局的改变。

objc_cache

上面提到了objc_class 结构体中的 cache字段，它用于缓存调用过的方法。这个字段是一个指向objc_cache结构体的指针，其定义如下：

struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    unsigned int occupied                                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    Method buckets[1]                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
};

mask:一个整数，指定分配的缓存的buckets的总数。在方法查找过程中，Objective-C runtime使用这个字段来确定开始线性查找数组的索引位置。指向方法selector的指针与该字段做一个AND位操作(index = (mask & selector))。这可以作为一个简单的hash散列算法。
occupied:一个整数，指定实际占用的缓存bucket的总数。
buckets:指向Method数据结构指针的数组。这个数组可能包括不超过msak+1个元素。需要注意的是，指针可能是NULL，表示这个缓存Bucket没有被占用，另外被占用的bucket可能是不连续的。这个数组可能随着时间而增长。

元类(Meta Class)

所有的类自身也是一个对象，我们可以向这个对象发送消息(即调用方法)

NSArray *array = [NSArray array];

这个例子中，+array消息发送给了NSArray类，这个NSArray也是一个对象，那么它也是一个objc_object指针，它包含一个指向其类的一个isa指针。为了调用+array方法，这个类的isa指针必须指向包含这些类方法的一个objc_object结构体。这就是meta-class(元类)。

meta-class是一个类对象的类

我们向一个对象发送消息的时候，runtime会在这个对象所属的这个类的方法列表中查找方法，而向一个类发送消息的时候，会在这个类的meta-class的方法列表中查找方法。

meta-class存储着一个类的所有类方法。每一个类都有单独的meta-class，因为每个类的类方法不可能完全相同。

Object-C的设计者让所有的meta-class的isa都指向基类的meta-class，以此作为它们的所属类。所以，任何NSObject继承体系下的meta-class的isa指针都是NSObject的meta-class，而基类的meta-class指向它自己。这样就形成了一个完美的闭环。

下图很好的说明了meta-class、类和对象的关系：

image.png

也就是说实例的isa指向类，类对象的isa指向这个类的meta-class(元类)，而meta-class的isa指向NSOject的meta-class，NSObject的元类的isa指向本身

类与对象操作函数

runtime提供了大量的函数来操作类与对象。类的方法大部分是以class_作为前缀。

注：所有copy操作返回的列表都需要用free()函数手动释放。

类相关操作函数

// 获取类的类名
const char * class_getName ( Class cls );
// 获取类的父类
Class class_getSuperclass ( Class cls );
// 判断给定的Class是否是一个元类
BOOL class_isMetaClass ( Class cls );
// 获取实例大小  size_t用%zu输出
size_t class_getInstanceSize ( Class cls );
// 获取类中指定名称实例成员变量的信息
Ivar class_getInstanceVariable ( Class cls, const char *name );
// 获取类成员变量的信息
Ivar class_getClassVariable ( Class cls, const char *name );
// 添加成员变量
BOOL class_addIvar ( Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types );
// 获取整个成员变量列表
Ivar * class_copyIvarList ( Class cls, unsigned int *outCount );
// 获取指定的属性
objc_property_t class_getProperty ( Class cls, const char *name );
// 获取属性列表
objc_property_t * class_copyPropertyList ( Class cls, unsigned int *outCount );
// 为类添加属性
BOOL class_addProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );
// 替换类的属性
void class_replaceProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );

方法(methodLists)

// 添加方法
BOOL class_addMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types );
// 获取实例方法
Method class_getInstanceMethod ( Class cls, SEL name );
// 获取类方法
Method class_getClassMethod ( Class cls, SEL name );
// 获取所有方法的数组
Method * class_copyMethodList ( Class cls, unsigned int *outCount );
// 替代方法的实现
IMP class_replaceMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types );
// 返回方法的具体实现
IMP class_getMethodImplementation ( Class cls, SEL name );
IMP class_getMethodImplementation_stret ( Class cls, SEL name );
// 类实例是否响应指定的selector
BOOL class_respondsToSelector ( Class cls, SEL sel );

class_addMethod会覆盖父类的方法，但不会取代本类中已存在的实现，如果本类中国有同名的实现，则会返回NO。可以使用method_serImplementation来修改已经实现的方法。
一个Objective-C方法是一个简单的C函数，它至少有两个参数self和_cmd，所以我们的实现函数(IMP参数指向的函数)也至少需要两个参数，如下：

void myMethodIMP(id self, SEL _cmd) {
    // implementation...
}

这里我查了一下IMP与SEL的区别：

IMP是真正的函数指针，指向方法实现。
Objective-C在运行时所有的方法可以看成一张表，而SEL可以看做是表中每一条的索引。
- (IMP)methodForSelector:(SEL)aSelector 方法可以根据一个实例SEL得到该方法的IMP(函数指针)+ (IMP)instanceMethodForSelector:(SEL)aSelector通过类的SEL返回IMP。
个人见解：SEL和IMP是映射关系，SEL可以通过runtime来更改它的IMP(函数指针)，而IMP是不能更改它指向的函数，也就是说每一个c函数对应一个IMP，而SEL是动态的。

与成员变量不同的是，我们可以为类动态添加方法，不管这个类是否存在。

class_getInstanceMethod、class_getClassMethod函数会去搜索父类的实现，而class_copyMethodList不会搜索父类的实现。

class_copyMethodList函数返回包含所有实例方法的列表，而不包含类方法。如果需要获取到类方法，可以使用object_getClass()来得到meta-class从而得到类方法，简便写法：class_copyMethodList(object_getClass(cls),&count)

class_replaceMethod函数：如果类中不存在name指定的方法则添加一个方法，如果类中存在name指定的方法则替代它的实现。
class_getMethodImplementation函数，该函数会在向类实例发送消息时被调用，返回一个指向方法实现函数的指针。如果这个类无法响应selector返回的函数指针可能是一个指向runtime内部的函数，这也是运行时消息转发机制的一部分。
class_respondsTpSelector函数和NSObject类的respondsToSelector:和instancesRespondToSelector:作用相同。

协议(objc_protocal_list)

// 添加协议
BOOL class_addProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );
// 返回类是否实现指定的协议
BOOL class_conformsToProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );
// 返回类实现的协议列表
Protocol * class_copyProtocolList ( Class cls, unsigned int *outCount );

class_conformsToProtocol可以用NSObject类的conformsToProtocol方法来替代。

版本(version)

// 获取版本号
int class_getVersion ( Class cls );
// 设置版本号
void class_setVersion ( Class cls, int version );

动态创建类和对象

runtime的强大之处在于它能在运行时创建类和对象

动态创建类

// 创建类实例
id class_createInstance ( Class cls, size_t extraBytes );
// 在指定位置创建类实例
id objc_constructInstance ( Class cls, void *bytes );
// 销毁类实例
void * objc_destructInstance ( id obj );

class_createInstance函数在创建实例是，会在默认的内存区域中为类分配内存。extraBytes参数表示分配的额外字节数。这些额外字节数可用于动态添加方法和变量。该函数在ARC环境下无法使用。

调用class_createInstance的效果与+alloc方法相似。不过使用class_createInstance时，我们需要知道它的类是什么。

objc_constructInstance函数：在指定的位置(bytes)创建实例。
objc_destructInstance函数：销毁一个类的实例，但不会释放并移除任何与其相关的引用。

实例操作函数

针对整个对象进行操作的函数。

// 返回指定对象的一份拷贝
id object_copy ( id obj, size_t size );
// 释放指定对象占用的内存
id object_dispose ( id obj );

如果有两个类分别为A类和B类，并且B类是A类的子类。B类添加了一些额外的属性。现在我们创建了一个A类的实例对象，想要在运行时将这个对象转化为B类的实例对象，从而添加B类的属性。这种情况下，B类的实例对象会比A类的实例对象分配的空间大。此时，我们就需要使用以上几个函数来处理这种情况。

NSObject *a = [[NSObject alloc] init];
id newB = object_copy(a, class_getInstanceSize(MyClass.class));
object_setClass(newB, MyClass.class);
object_dispose(a);

2.针对对象实例变量进行操作的函数

// 修改类实例的实例变量的值
Ivar object_setInstanceVariable ( id obj, const char *name, void *value );
// 获取对象实例变量的值
Ivar object_getInstanceVariable ( id obj, const char *name, void **outValue );
// 返回指向给定对象分配的任何额外字节的指针
void * object_getIndexedIvars ( id obj );
// 返回对象中实例变量的值
id object_getIvar ( id obj, Ivar ivar );
// 设置对象中实例变量的值
void object_setIvar ( id obj, Ivar ivar, id value );

3.针对对象的类进行操作的函数

// 返回给定对象的类名
const char * object_getClassName ( id obj );
// 返回对象的类
Class object_getClass ( id obj );
// 设置对象的类
Class object_setClass ( id obj, Class cls );

获取类定义

Object-C动态运行库会自动注册我们代码中定义的多有类。我们也可以在运行时创建类定义并使用objc_addClass函数注册它们。Runtime提供了一系列函数来获取类定义相关的信息，这些函数主要包括：

// 获取已注册的类定义的列表
int objc_getClassList ( Class *buffer, int bufferCount );
// 创建并返回一个指向所有已注册类的指针列表
Class * objc_copyClassList ( unsigned int *outCount );
// 返回指定类的类定义
Class objc_lookUpClass ( const char *name );
Class objc_getClass ( const char *name );
Class objc_getRequiredClass ( const char *name );
// 返回指定类的元类
Class objc_getMetaClass ( const char *name );

objc_getClassList函数：获取已注册的类定义的列表。
获取类定义的方法有三个：objc_lookUpClass, objc_getClass和objc_getRequiredClass。如果类在运行时未注册，则objc_lookUpClass会返回nil，而objc_getClass会调用类处理回调，并再次确认类是否注册，如果确认未注册，再返回nil。而objc_getRequiredClass函数的操作与objc_getClass相同，只不过如果没有找到类，则会杀死进程。
objc_getMetaClass函数：如果指定的类没有注册，则该函数会调用类处理回调，并再次确认类是否注册，如果确认未注册，再返回nil。不过，每个类定义都必须有一个有效的元类定义，所以这个函数总是会返回一个元类定义，不管它是否有效。

runtime 运行时之一：类与对象

runtime 运行时之一：类与对象

类和对象基础数据结构

Class

objc_cache

元类(Meta Class)

类与对象操作函数

类相关操作函数

方法(methodLists)

协议(objc_protocal_list)

版本(version)

动态创建类和对象

动态创建类

实例操作函数

获取类定义

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