iOS开发(10)Runtime

一、什么是Runtime

• Objective-C是一门动态性比较强的编程语言，跟C、C++等语言有着很大的不同
• Objective-C的动态性是由Runtime API来支撑的
• Runtime API提供的接口基本都是C语言的，源码由C\C++\汇编语言编写

二、isa详解

1、注意点

• 要想学习Runtime，首先要了解它底层的一些常用数据结构，比如isa指针
• 在arm64架构之前，isa就是一个普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址
• 从arm64架构开始，对isa进行了优化，变成了一个共用体（union）结构，还使用位域来存储更多的信息

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2、位域

• nonpointer
  0，代表普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址
  1，代表优化过，使用位域存储更多的信息

• has_assoc
  是否有设置过关联对象，如果没有，释放时会更快

• has_cxx_dtor
  是否有C++的析构函数（.cxx_destruct），如果没有，释放时会更快

• shiftcls
  存储着Class、Meta-Class对象的内存地址信息

• magic
  用于在调试时分辨对象是否未完成初始化

• weakly_referenced
  是否有被弱引用指向过，如果没有，释放时会更快

• deallocating
  对象是否正在释放

• extra_rc
  里面存储的值是引用计数器减1

• has_sidetable_rc
  引用计数器是否过大无法存储在isa中
  如果为1，那么引用计数会存储在一个叫SideTable的类的属性中

三、Class的结构

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1、 class_rw_t
class_rw_t里面的methods、properties、protocols是二维数组，是可读可写的，包含了类的初始内容、分类的内容

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2、 class_ro_t
class_ro_t里面的baseMethodList、baseProtocols、ivars、baseProperties是一维数组，是只读的，包含了类的初始内容

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3、 method_t

• method_t是对方法\函数的封装

  
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• IMP代表函数的具体实现

  
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• SEL代表方法\函数名，一般叫做选择器，底层结构跟char *类似
  可以通过@selector()和sel_registerName()获得
  可以通过sel_getName()和NSStringFromSelector()转成字符串
  不同类中相同名字的方法，所对应的方法选择器是相同的

  
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• types包含了函数返回值、参数编码的字符串

  
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• Type Encoding
  iOS中提供了一个叫做@encode的指令，可以将具体的类型表示成字符串编码

  
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4、方法缓存

• Class内部结构中有个方法缓存（cache_t），用散列表（哈希表）来缓存曾经调用过的方法，可以提高方法的查找速度

  
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• 缓存查找
  objc-cache.mm
  bucket_t * cache_t::find(cache_key_t k, id receiver)

四、objc_msgSend

1、objc_msgSend执行流程

• OC中的方法调用，其实都是转换为objc_msgSend函数的调用

• objc_msgSend的执行流程可以分为3大阶段
  消息发送
  动态方法解析
  消息转发

2、objc_msgSend执行流程 – 源码跟读

• objc-msg-arm64.s
  ENTRY _objc_msgSend
  b.le LNilOrTagged
  CacheLookup NORMAL
  .macro CacheLookup
  .macro CheckMiss
  STATIC_ENTRY __objc_msgSend_uncached
  .macro MethodTableLookup
  __class_lookupMethodAndLoadCache3

• objc-runtime-new.mm
  _class_lookupMethodAndLoadCache3
  lookUpImpOrForward
  getMethodNoSuper_nolock、search_method_list、log_and_fill_cache
  cache_getImp、log_and_fill_cache、getMethodNoSuper_nolock、log_and_fill_cache
  _class_resolveInstanceMethod
  _objc_msgForward_impcache

• objc-msg-arm64.s
  STATIC_ENTRY __objc_msgForward_impcache
  ENTRY __objc_msgForward

• Core Foundation
  forwarding（不开源）

3、objc_msgSend执行流程01-消息发送

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4、objc_msgSend执行流程02-动态方法解析

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• 动态添加方法

  
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5、objc_msgSend的执行流程03-消息转发

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• 生成NSMethodSignature

  
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五、super的本质

super调用，底层会转换为objc_msgSendSuper2函数的调用，接收2个参数
struct objc_super2
SEL

struct objc_super2 {
        id receiver;
        Class current_class;
};

• receiver是消息接收者
• current_class是receiver的Class对象

六、LLVM的中间代码（IR）

• Objective-C在变为机器代码之前，会被LLVM编译器转换为中间代码（Intermediate Representation）

• 可以使用以下命令行指令生成中间代码

clang -emit-llvm -S main.m

• 语法简介
  @ - 全局变量
  % - 局部变量
  alloca - 在当前执行的函数的堆栈帧中分配内存，当该函数返回到其调用者时，将自动释放内存
  i32 - 32位4字节的整数
  align - 对齐
  load - 读出，store 写入
  icmp - 两个整数值比较，返回布尔值
  br - 选择分支，根据条件来转向label，不根据条件跳转的话类似 goto
  label - 代码标签
  call - 调用函数

• 具体可以参考官方文档：https://llvm.org/docs/LangRef.html

七、Runtime的应用

• 01 – 查看私有成员变量
  设置UITextField占位文字的颜色

  
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• 02 – 字典转模型
  利用Runtime遍历所有的属性或者成员变量
  利用KVC设值

• 03 - 替换方法实现
  class_replaceMethod
  method_exchangeImplementation

八、Runtime API

01 – 类

• 动态创建一个类（参数：父类，类名，额外的内存空间）
  Class objc_allocateClassPair(Class superclass, const char *name, size_t extraBytes)

• 注册一个类（要在类注册之前添加成员变量）
  void objc_registerClassPair(Class cls)

• 销毁一个类
  void objc_disposeClassPair(Class cls)

• 获取isa指向的Class
  Class object_getClass(id obj)

• 设置isa指向的Class
  Class object_setClass(id obj, Class cls)

• 判断一个OC对象是否为Class
  BOOL object_isClass(id obj)

• 判断一个Class是否为元类
  BOOL class_isMetaClass(Class cls)

• 获取父类
  Class class_getSuperclass(Class cls)

02 – 成员变量

• 获取一个实例变量信息
  Ivar class_getInstanceVariable(Class cls, const char *name)

• 拷贝实例变量列表（最后需要调用free释放）
  Ivar *class_copyIvarList(Class cls, unsigned int *outCount)

• 设置和获取成员变量的值
  void object_setIvar(id obj, Ivar ivar, id value)
  id object_getIvar(id obj, Ivar ivar)

• 动态添加成员变量（已经注册的类是不能动态添加成员变量的）
  BOOL class_addIvar(Class cls, const char * name, size_t size, uint8_t alignment, const char * types)

• 获取成员变量的相关信息
  const char *ivar_getName(Ivar v)
  const char *ivar_getTypeEncoding(Ivar v)

03– 属性

• 获取一个属性
  objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name)

• 拷贝属性列表（最后需要调用free释放）
  objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount)

• 动态添加属性
  BOOL class_addProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes,
  unsigned int attributeCount)

• 动态替换属性
  void class_replaceProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes,
  unsigned int attributeCount)

• 获取属性的一些信息
  const char *property_getName(objc_property_t property)
  const char *property_getAttributes(objc_property_t property)

04– 方法

• 获得一个实例方法、类方法
  Method class_getInstanceMethod(Class cls, SEL name)
  Method class_getClassMethod(Class cls, SEL name)

• 方法实现相关操作
  IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL name)
  IMP method_setImplementation(Method m, IMP imp)
  void method_exchangeImplementations(Method m1, Method m2)

• 拷贝方法列表（最后需要调用free释放）
  Method *class_copyMethodList(Class cls, unsigned int *outCount)

• 动态添加方法
  BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)

• 动态替换方法
  IMP class_replaceMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)

• 获取方法的相关信息（带有copy的需要调用free去释放）
  SEL method_getName(Method m)
  IMP method_getImplementation(Method m)
  const char *method_getTypeEncoding(Method m)
  unsigned int method_getNumberOfArguments(Method m)
  char *method_copyReturnType(Method m)
  char *method_copyArgumentType(Method m, unsigned int index)

• 选择器相关
  const char *sel_getName(SEL sel)
  SEL sel_registerName(const char *str)

• 用block作为方法实现
  IMP imp_implementationWithBlock(id block)
  id imp_getBlock(IMP anImp)
  BOOL imp_removeBlock(IMP anImp)

九、面试题

1、讲一下 OC 的消息机制
OC中的方法调用其实都是转成了objc_msgSend函数的调用，给receiver（方法调用者）发送了一条消息（selector方法名）
objc_msgSend底层有3大阶段
消息发送（当前类、父类中查找）、动态方法解析、消息转发

2、消息转发机制流程

3、什么是Runtime？平时项目中有用过么？
OC是一门动态性比较强的编程语言，允许很多操作推迟到程序运行时再进行
OC的动态性就是由Runtime来支撑和实现的，Runtime是一套C语言的API，封装了很多动态性相关的函数
平时编写的OC代码，底层都是转换成了Runtime API进行调用

4、具体应用
利用关联对象（AssociatedObject）给分类添加属性
遍历类的所有成员变量（修改textfield的占位文字颜色、字典转模型、自动归档解档）
交换方法实现（交换系统的方法）
利用消息转发机制解决方法找不到的异常问题
...

5、打印结果分别是什么？

@interface Person : NSObject
@end

@interface Student : Person
@end

@implementation Student

- (instancetype)init
{
    if (self = [super init]) {
        NSLog(@"[self class] = %@", [self class]); // MJStudent
        NSLog(@"[self superclass] = %@", [self superclass]); // MJPerson

        NSLog(@"--------------------------------");

        // objc_msgSendSuper({self, [MJPerson class]}, @selector(class));
        NSLog(@"[super class] = %@", [super class]); // MJStudent
        NSLog(@"[super superclass] = %@", [super superclass]); // MJPerson
    }
    return self;
}

@end

NSLog(@"%d", [NSObject isKindOfClass:[NSObject class]]); // 1
NSLog(@"%d", [NSObject isMemberOfClass:[NSObject class]]); // 0
NSLog(@"%d", [MJPerson isKindOfClass:[MJPerson class]]); // 0
NSLog(@"%d", [MJPerson isMemberOfClass:[MJPerson class]]); // 0

相关源码

- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return [self class] == cls;
}

- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}


+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return object_getClass((id)self) == cls;
}


+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = object_getClass((id)self); tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

6、以下代码能不能执行成功？如果可以，打印结果是什么？

@interface Person : NSObject
@property (copy, nonatomic) NSString *name;

- (void)print;
@end

@implementation Person

- (void)print
{
    NSLog(@"my name is %@", self->_name);
}

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    id cls = [MJPerson class];
    void *obj = &cls;
    [(__bridge id)obj print];
}


@end