深入语言的设计原理，理解其特性的本质。
0.背景
关于Runtime的文章有很多，多数人都知道Runtime是做什么用的，但是要彻底弄清Runtime存在的意义，不仅仅需要知道它是如何工作的，更需要知道为什么需要它这么工作，弄清楚为什么需要Runtime这么工作就需要从理解OC面对对象的过程开始。
Objective-C(称之为OC)语言是在C语言基础上实现面对对象，从而实现开发者使用面对对象的方式进行应用开发。理解OC语言如何实现面对对象，是深入理解OC的基础。本篇文章和Runtime相关文章互为理解才能更加清晰的理解OC的面对对象的实现原理。读过这篇文章，你更能够理解Runtime的实现作用和存在意义。本篇文章一步步讲解从C语言进化到Objective-C的面对对象的过程。
1.面对过程和面对对象编程
- 编程
面对过程和面对对象都是编程的方式，我们首先要理解编程，才能更好的理解两种方式的应用。简单讲，编程是输入到系统处理然后得到想要的结果。输入可能是用户输入也可能数据，无论是什么，经过系统处理，得到结果。那么编程是：
1. 输入
2. 处理
3. 输出
- 面对过程
拿C语言来讲，C语言各种数据类型，用于存储数据，我们称之为变量；C语言函数，我们称之为操作。那么面对过程的编程的简单理解：把输入的数据存储到变量中，按照流程使用函数操作处理，输出结果。那么面对过程其实是最简单的编程思维，输入到变量，函数处理，输出结果：
int main() {
// 0.输入
// 1.变量存储
int a = 0;
int b = 1;
// 2.函数操作
func1(a);
func2(b);
// 3. 输出
return func3(a,b);
}
- 面对对象
用一个通俗的例子来讲，用面对对象的方式去造一台车，员工只需要关心这辆车需要哪些对象组成： 轮胎，车架，车门，发动机，油箱等等；至于具体的车门上需要使用螺丝，装什么玻璃，是门这个对象它自己需要管理的(方法函数和其他小的对象玻璃等)。那么组装工作就容易轻松很多，面对对象的开发类似于此。
OC语言除了包含C语言基本数据类型，同时也包含在C语言基础之上封装的类，比如类实质是C语言的结构体struct。类是对真实对象的抽象，类里面有变量和方法。面对对象编程方式，以对象为基本单位进行输入输出和处理的操作，从而得到输出。输入存储为对象，操作是对象协作，输出结果是对象。每个对象可以有自己的方法操作，同时可以有其他对象属性。
// 伪代码
int main() {
// 0.输入
// 1.变量存储,转换为各种对象, 对象中有自己专属类型的操作(方法函数)，处理本类型的问题，其他类型对象不需要关心
NSObject *obj1;
NSObject *obj2;
// 2. 对象协作处理问题，只需要对象协作就行了，不在关心操作细节，对象自己会管理好自己的操作(方法函数)
obj1.doSometh();
NSObject *obj3 = obj2.doSometh(obj1);
// 3. 输出处理结果
return obj3;
}
2.OC面对对象
面对对象有三大特性：封装，继承，多态。对象是类的实例，类是对象的抽象。类本身是对同一类事物进行的抽象，然后封装属性和方法，所以封装这一特性显而易见；类是对象的抽象，抽象的模糊点的时候特点描述少，是父类，抽象的具体点的时候特点描述详细，方法多，比如动物类是模糊抽象，只抽象出来一个特点：会动，人类是具体抽象继承于动物类，所以抽象出来的类本身应该是继承的；多态，同样都是人，每个人都说话但声音不一样，这就是多态特性之一。
OC封装了很多类，有了这些类就可以使用面对对象的方式进行程序开发。比如，Foundation框架，UIKit框架下的类：
·NSObject
·NSArray
·NSSet
·UIView
...
OC的类是单继承，所有的类都间接或直接继承于NSObject。所以研究OC如何面对对象的，就需要研究OC是如何封装类的，研究类就需要从NSObject这个类开始。如下：
@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
NSObject类只有一个变量，这个变量是它真正的类结构--struct，简化如下：
@interface NSObject <NSObject> {
objc_class * isa; // 类
}
struct objc_class {
objc_class * _Nonnull isa; // 元类，类的静态方法会有此类存储
objc_class * _Nullable super_class; // 父类， NSObject 父类nil
const char * _Nonnull name; // 类名称 NSObject
long version; // 类版本信息
long info;
long instance_size; // 创建实例对象时需要分配的内存大小
struct objc_ivar_list * _Nullable ivars; // 类的变量，链表里每一个链是一个结构体存储一个变量
struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists; // 类的方法，每个struct存有一个方法相关信息
struct objc_cache * _Nonnull cache; // 缓存的方法
struct objc_protocol_list * _Nullable protocols;
};
小结：NSObject及其子类实例化一个对象，这个对象的isa是一个objc_class的对象的一个结构体，这个结构体内，记录了实例对象的变量信息和方法信息。由此可见，类实例化成对象，必须是在类对象(objc_class结构体)存在的前提下才能实现。
使用OC开发中，每一个类其背后必须有一个类对象(objc_class结构体)的实例进行维护，才能使用定义的类进行面对对象的方式进行开发。既然是这样，我们可以思考程序加载顺应该是这样的：所有类对象加载之后，才能加载我们开发的代码。因为我们使用OC的类进行面对对象的开发。类对象的实例存在，才能加载我们的类进行类的实例化对象，对象的方法和变量都有类对象(objc_class)的方法列表和变量列表维护，OC语言的动态性是也表现在这里。使用Runtime才能够操作对象的类对象，因为对象的方法调用是在类对象中找方法才能够调用，那么Runtime可以理解为一组操作类对象结构体的C的函数，这就是我们可以理解的Runtime。
3.OC面对对象动态性
动态性是OC面对对象的另一大特性。关于语言我们讨论静态语言和动态语言两种语言，避免混淆我们先看下两种类型语言，然后再讨论OC的动态性：
动态语言: 是一类在运行时可以改变其结构的语言
静态语言: 运行时结构不可变的语言就是静态语言
C语言是编译期就确定了命令执行的语言，不可以改变结构，是静态语言：
int main() {
printf("Hello world!");
return 0;
}
上述C代码在编译期，就已经确定了输出数据和数据类型，输出Hello world!
// 发消息
[obj sayHello]; // sayHello 同样是printf("Hello world!");
//编译后
((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)obj, sel_registerName("sayHello"));
上述OC, 编译后仅仅是调用函数objc_msgSend的两个参数，obj和SEL(sayHello函数名称)，这是编译后的结果，只有在运行过程中才执行的函数调用，那么程序运行中才确认下一步真正的操作，这就是动态性！编译期只是确定了对象和对象的方法，这个方法的调用就可以在运行过程调用，但是调用可能在方法列表里找不到sayHello方法，在找不到方法的情况下，你可能在代码了做了找不到sayHello方法的处理，这就是Method Swizzling。这种编译期不确定函数调用的情况的，就足以说明这是动态性的，这种动态性不仅仅取决于Runtime的机制，同时取决于OC的面对对象的模式————由类方法运行时维护对象，在类对象中管理方法。实例对象是实例类对象维护的，类对象 是运行时才存在的，也说明这种模式的动态性。总结OC语言的动态性如下：
- 对象是类对象实例维护的，类对象实例在运行时首先被生成实例对象，才能给维护对象，体现在运行时；
- 对象可以动态的修改变量和方法；
- 对象方法是在运行时确定寻找调用哪个方法，而且方法不一定存在。
4.理解OC的消息机制
为什么OC不是直接调用，是消息机制呢？我们知道C语言的方法是直接调用的，方法提前声明，然后就可以方法调用。对于OC的对象为什么就不是直接进行方法调用的呢？如下我们一起思考，在注释中有思考过程：
// 1.C语言方法调用
printf("hello");
// 思考：
// printf()函数在编译过程就已经确定了函数地址并写在此行的是函数地址，运行时直接就是根据函数地址直接调用
// 2.OC方法调用
[obj hello];
// 思考：
// obj这个对象需要去类对象中找方法hello，那么“hello”一定是方法名称的字符串编码，通过字符串去类对象中找方法，本身就不是直接调用hello方法。
// 可以理解，这种OC对象的本质，就首先构成一定不能是直接调用方法，需要找到方法在进行调用。
// 3.OC编译后的C语言 发送消息
objc_msgSend(obj, sel_registerName("hello"));
// 思考：
// 编译后是objc_msgSend函数调用，不是直接调用hello方法。这个过程就构成了消息传递，objc_msgSend发送消息，给obj对象，让它去调用hello方法。
// 可以理解为————objc_msgSend发消息告诉obj说："这里需要调用obj你的hello方法"
// 本质是通过objc_msgSend找obj类对象的方法列表里的方法hello，然后调用C语言方法————hello对应的方法。
通过上述的思考过程(注释中有思考过程)，我们就可以得知，OC一定不能是直接调用的，是使用objc_msgSend寻找对象方法然后进行方法调用的，这个寻找方法调用过程，我们理解为发送消息，同时可以理解是OC对象的本质才导致这一结果。
5.理解Runtime
因为Runtime的函数是辅助OC的对象去类对象找方法和变量的函数，所以Runtime一定不能是OC写的，Runtime是C语言和汇编语言写的。一个OC对象聚合了一类事务，这一类是事物的属性、方法都都是有C语言的基本数据结构类型组成，他们是被objc_class这个结构体(类对象)聚合一起。Runtime是C语言的方法包，这些方法包是OC对象的消息传递者。当OC对象调用方法时，Runtime方法包中的objc_msgSend去这个对象的类对象objc_class中寻找对象要调用的方法并执行它，当OC对象访问其变量的时候，Runtime方法包中有C语言方法去对象的类对象objc_class中寻找对应的变量(变量的偏移地址)，Runtime的方法包可以访问类对象objc_class的任何属性也可以修改。看起来Runtime就简简单单是OC对象协作的助手一样，但是看过以下我们才能更清楚的理解OC对象和Runtime的关系：
// 1. 首先，OC对象是运行时实例化的objc_class维护的
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
// 2. 其次，objc_class等结构体实例是Runtime系统维护的
objc_class *class = objc_getClass("NSObject");
// Runtime方法objc_getClass可以获取objc_class类对象，
// 那么一定是Runtime的维护了所有的类对象，才能寻到类对象
可以看出Runtime才是维护OC对象的最底层的系统，同时OC对象的本质必须需要一套系统来维护其类对象，帮助它传递消息，并且帮它寻找方法和变量，这个系统就是Runtime了。相信到这里Runtime的功能作用应该可以理解了。
6.串联总结
1. OC对象本质是objc_class结构体实例运行时维护的
2. OC对象动态性是其对象本质的表现
3. OC对象的消息机制是因为对象本身并不能直接找到调用的方法造成的
4. OC对象需要一套系统来维护并提供协作帮助的能力，这个系统就是Runtime
5. Runtime的是OC面对对象的幕后支持者(类对象的维护者，对象的消息传递者)
6. 有了Runtime的出现Method Swizzling不足为奇
7. 有了Runtime使用类的分类给类添加方法也不足为奇
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