Objective-C 与 Runtime：为什么是这样？

笔者非常高兴能为Objective-C写写自己的理解和总结，不仅仅因为是笔者是Objective-C多年的重度开发者，更是因为这是一门 有独特想法的，有创造性的，有优美语法的，有历史地位的编程语言 。如果说对本文有什么预期的话，笔者希望能把一些类似“为什么是这样”的问题说清楚。

Objective-C发明于上世纪80年代，Objective-C的作者——Brad Cox和Tom Love，在接触到SmallTalk语言之后，一方面受到SmallTalk的启发，另一方面也是看好C语言有着巨大影响力和广阔前景，因此选择在C语言的基础上 引入SmallTalk语言面向对象和消息派发的概念 。最初的版本以C语言的扩展的形式实现的，在C编译器中编写支持Objective-C的预处理模块，预处理会先将Objective-C语法代码转化为C代码，再继续C代码的编译过程。1988年，以企业为目标客户的NeXT公司购买Objective-C的使用授权，接着扩展著名开源编译器GCC，使其支持Objective-C，并且开发了AppKit和FoundationKit等基础库，Objective-C成为了NeXTSTEP系统（工作站）上“标准”的应用程序开发语言。1996年，Apple公司收购了NeXT公司，NeXTSTEP/OPENSTEP系统成为 Apple新一代操作系统OS X的研发基础 。 2005年，Apple引入了Chris Lattner以及他的LLVM技术团队，Objective-C新特性和编译优化第一次得到高水平编译器最高优先级的支持，先从后端的代码优化和生成开始，逐步扩展到前端的语法解析（Clang）。如今（2015），Objective-C已经 拥有GCC之外更为适合更为优异的编译器套装选择——LLVM编译器 ，LLVM包括完整的前后端模块，最新版本6.1（2015）。

Objective-C是面向对象的，这是Objective-C最基本的的概念。关于面向对象， 把一定的算法（函数）和数据（变量）因某种内在的联系绑定在一起，形成最基本的程序结构单元 ，这些结构单元即是经常谈及的对象，加上抽象二字，我们称呼它为抽象对象，术语简称类；通过对变量的赋值（笔者认为不仅是变量，逻辑运算如闭包也是可以用于赋值）则会构成实体对象，术语简称对象（Objective-C一般也称作实例）。对象和对象之间不是完全独立的，通过巧妙的方式，它们之间能建立紧密的联系，比如继承、派生，对事物的抽象以及对代码的复用有着微妙而重大的价值。Brad Cox和Tom Lov出版的第一本正式Objective-C著作，书名即为《Object-Oriented Programming, An Evolutionary Approach》。那么，为什么要对象，为什么要面向对象？这是个好问题，观察人类普遍的思维，我们理解这个世界使用最多的概念就是物体，我们擅长把感知到的一切抽象为一个个的物体，通过了解物体的构成，以及物体之间的作用关系，实现对这个世界的认知和作用的目的。这一直是非常奏效的！ 面向对象就是把人类的思维的天赋和积累的思想财富应用于编程 ，这样，程序对于增强生产能力/提高生活品质的效率和能力方面会大大提高。

/* 上图为FoundationKit中支持的集合对象——（不可变）数组，继承于根类NSObject，支持实现NSCopying在内的一系列协议（接口），count代表着有一个只读变量，- (id)objectAtIndex:(NSUInteger)index等表示数组支持的可供使用的方法（函数） */

消息派发是Objective-C函数（Objective-C实际称方法）调用的模式，前文亦有提及，概念继承于Smalltalk。Objective-C的对象相互调用函数，被看做是向目标对象传递消息，消息的发送者称作sender，消息的接收者称作receiver，消息中间传递的字符串称作selector（选择子）。

/* 上图的代码表示至少有两个明显receiver，self.view为其中一个消息接收者，传递的消息（字符串/选择子）为 “setBackgroundColor:“，UIColor表示一个类，类也是可以作为消息的接收者，字符串/选择子为 “yellowColor” */

消息的处理就是需要先确定实际执行的方法然后跳转过去并执行，我们理解为这是对该消息的回应，编译期间，单从一句”派发消息”的语法是无法确定实际执行的结果。 只有在程序运行期间，实际执行的结果才能得到确定 。这种在运行期间才确定实际执行的方法，Objective-C称为动态绑定。消息派发这种工作机制明显区别另一著名面向对象编程语言——C++。C++调用对象的函数， 函数与对象之间的关系，在编译期间就必须严格确定 ，如果car里面没有定义函数名为fly的函数，编译器不会通过，而是会报错。Objective-C如果向car发送字符串为”fly”的selector，即使car没有实现fly方法，编译器依然能够通过，但是运行期间则会因为获取不到实际执行的方法而抛出异常。这也就是说，消息派发的设计使得编译期间Objective-C非常包容对象所属的类。如上述，相同对象有相同的定义，称为类，类本身还可以看作对象——“类”对象，可以对“类”对象进行“类”的定义，比如比较运算，哈希，描述，类名等， 总之一切皆为对象 。C++里面我们可以基于称之为模板的方式实现对“类”的自定义，Objective-C通过统一基类比如NSObject（不仅仅只有NSObject，还可以是各类根协议）方式对所有类新增定义。你可以向任何包括空指针nil在内的对象发你想发的消息。消息派发的机制使得在不重新编译的情况下， 在运行期间，干预或者说hook原来的target（方法、变量等）变得更易于实现，更有实际应用价值 。这个是需要依赖于消息派发和动态绑定的实现机制——Runtime，但是Runtime并不仅仅为消息派发和动态绑定而work，它也是Objective-C面向对象、内存模型等特性的实现者。

在正式介绍Runtime之前，我们先继续介绍Objective-C的另外一个重要概念，笔者要说是Objective-C内存管理模型，程序运行时，创建一个对象总是要占用内存的，而内存总大小总归有限， 所以当一个对象不再被需要时，应当及时回收它所占用的内存资源用于新的对象， Objective-C的内存管理原理，简单说就是“引用计数”机制。如果有模块需要引用一个对象，引用时会让对象统计用的引用计数值加1，并记录在对象的结构信息当中，当模块不再需要该对象的时候则减1，而当该对象的引用计数值为0时，就可以认为该对象不再被需要，及时销毁释放内存（回收资源）。 Objective-C对象的内存空间仅分配在“堆空间”（heap space）中，肯定是不会分配在“栈”（stack）上。 我们知道，“栈”的占用和回收是有严格的数据操作规则，简称“先入后出”。函数执行时，传入的变量（当然包括对象变量）会按照确定的序列规则自动压入“栈”（占有内存资源），函数执行结束时，这些变量又会按照相反的序列规则自动弹出（释放内存资源）。因此，我们可以看出，“栈”其实是无法实施“引用计数”机制的，Objective-C否定使用“栈”存储对象的设想。在语法上，Objective-C也无法像C++那样直接声明并创建一个对象变量，更无法直接操作该对象，Objective-C都是需要以类似C语言申请堆内存块的语法(alloc)那样创建一个对象变量，并且必须通过对象指针作为访问句柄，这跟C语言申请堆内存块非常类似。Objective-C这一“任性”的设计，也使得对象嵌套（一个对象作为另一个对象的成员变量）时，对象基于引用计数机制，其成员变量也必须递归地遵循引用计数机制。因为成员变量实际都是一枚枚对象指针，很可能是与其它对象共享同一个对象（指针都指向同一块内存），引用计数机制正是适合用于支持这种“共享”内存的管理。需要特别说明，如果可以 像C++那样创建一个对象变量做成员变量，那么该成员变量会被存储在该对象所在的一块连续内存块 ，该对象销毁时能够自动把成员变量的占有的内存块全部释放收回，这与引用计数的机制并不太符合，所以，在Objective-C中对象变量不被支持也进一步得到理解。

/* 上图的接口（方法）是Objective-C中内存管理相关的接口 （方法）*/

Runtime（component）译名一般称为运行期组件，一个纯C语言写成的基础库(lib)，Objective-C编写出来的程序必须得到Runtime的运行才能正常work， 在Java、PHP或者Flash之类的编程语言当中，大家对于Runtime并不会太陌生，Objective-C的Runtime其实也是一回事 。正是Runtime实现了Objective-C许多的特性，Objective-C面向对象、消息派发、动态绑定和内存管理都与Runtime的息息相关。那么，在Objective-C当中，对象、类、函数（方法）都是如何被构造并发挥作用的？前文提及，面向对象中的类，被看作抽象了的对象，Runtime也是秉持这一理念。Runtime是纯C写成，用struct结构体来描述对象（实体对象）和类（抽象对象）。

对象的struct比较简单，用*id作为结构体objc_object的指针别名，首个struct成员isa是Class类型的指针变量，正是该变量确定了对象所属的类。Class类型也是struct，是结构体objc_class的指针别名，用于描述类构成的struct，首个成员isa也是Class类型的指针变量 （由两个结构体的首个成员均为Class类型的指针变量的设计使得我们能进一步体会到Runtime中，类的确有着和对象相同的看待） ，类的isa会指向称之为metaclass（元类）的struct，metaclass抽象了类的特性，metaclass的首个成员自然也是isa的Class类型的指针变量，不同的是元类的isa最终指向的是它自身，由此我们可以观察到， 类struct是一种递归嵌套的设计，它正体现了面向对象无限抽象的理念，最终实现上指向自己则是实际工程处理的需要 。一般我们还认为objc_class这个struct存放类的metadata（元数据），例如类的实例方法、类的实例变量以及类的超类指针等。

Runtime还允许我们通过标准的接口（C函数） 对所有Objective-C类的变量、方法、属性以及协议等等作查询和动态扩展， 从而达到我们丰富项目中语言和类库特性的目标。

/* 上图的通过标准的Runtime API（C函数）打印UIKit中UIView的所有变量、属性以及方法*/

Runtime的另外一个重要的特性实现即为消息派发，objc_msgSend是消息派发最核心最基础的入口函数，除此之外还有objc_msgsend_stret，objc_msgSend_fpret，objc_msgSendSuper等函数，然而它们的重要性和作用远不及objc_msgSend。 objc_msgSend函数会依据receiver和selector的来调用适当的方法 。为了完成此操作，该函数需要在recevier所属的类中搜寻其“方法列表”，如果能找到与selector字符串名称相符的方法，就跳转至该方法。若是找不到，那就沿着继承体系继续向上查找，等找到合适的方法之后再跳转。如果最终还是找不到相符的方法，那就执行“消息转发”操作。由此，我们可以看到，调用一个方法似乎需要相当的步骤。每一个步骤都是开销，是否会导致Objective-C有性能问题？所幸obj_msgSend会将匹配到得结果缓存在“快速映射表”（fast map），每个类都有这样一块缓存，若是后面还需要向该类发送和相同的selector消息，执行起来将会快许多。当然，这种“快速执行路径”（fast path）还是不如“静态绑定函数调用”（statically bound function call）那样快，不过通过汇编等优化技术，映射表的查询开销已非常小，可以说， 即使相比较C++的静态绑定，Objective-C的消息派发机制已经不是性能瓶颈所在 。如果说以上的消息派发机制就是Objective-C动态绑定的全部内容，其实并不完全。 当对象查询不到相关的方法，消息无法正确回应时，还会启动“消息转发”机制 。是的，在支持“动态增加和替换”的方法列表之外，我们还能够提供其它的正常响应方式。消息转发还分为几个阶段，第一，先询问receiver或者说是它所属的类，看其是否能动态添加方法，以处理当前这个“未知选择子”（unkonwn selector），这叫做“动态方法解析”（dynamic method resolution），Runtime会通过回调一个类方法来寻求动态添加方法的支持。如果Runtime完成动态添加方法的询问之后，receiver仍然无法正常响应，则Runtime会继续向receiver询问是否有其它对象即其它receiver能处理这条消息，若返回能够处理的对象，Runtime会把消息转给返回的对象，消息转发流程也就结束。若无对象返回，Runtime会把消息有关的全部细节都封装到NSInvocation对象中，再给receiver最后一次机会，令其设法解决当前还未处理的这条消息。消息转发的流程可以归纳到以下图表：

由图表可以看出， receiver在每一步中均有机会处理消息，步骤越往后，处理消息累计开销就越大 。所以，最好能在第一步就处理完，这样的话，Runtime还可以把方法进行缓存，在一步到位的同时进一步降低首次查询这样的开销。需要注意的是在最后一个阶段，需要由两个接口一起完成，先要通过- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector接口返回格式化的方法对象，下一个接口- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation中传入参数NSInvocation对象对此方法对象是有依赖，第一步的NSMethodSignature对象返回nil，则消息转发流程即告结束。

最后利用消息转发机制，我们实现一个让NSString类支持NSArray实例方法的例子，这对于降低程序的Crash率很有帮助：

我们先实现一个方法替换的接口swizzle method，帮助我们在不需要继承的情况下，实现对父类方法的代码注入

通过swizzle方式（class_addMethod、class_replaceMethod、method_exchangeImplementations），在NSString类的resolveInstanceMethod:中，动态方法解析的方式注入3个NSArray的实例方法：

测试用例：

测试结果：

结尾，笔者用了很大的篇幅和代码片段尝试去解释Objective-C最基本的一些概念， 包括面向对象、消息派发、内存管理等等，并且也讨论了这些概念在Rumtime上的实现 ，这当中还不包括属性、分类、类族、协议等Objective-C中同样重要的feature，也没有深入阐述其中的一些编码细节（有关编码，通过搜索引擎，总能获取许多令人满意的答案）。笔者更多地是希望在有限的篇幅中帮助读者快速理解Objective-C， 理解它为什么是这样而不是那样 ，并且对于想进一步学习和使用Objective-C的开发者和工程师能有所帮助。

参考链接（部分）：