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ios runtime基础知识

前言

学习 Objective-C 的运行时 Runtime 系统是很有必要的。个人觉得，得之可得天下，失之则失天下。

Objective-C 提供了编译运行时，只要有可能，它都可以动态地运作。这意味着不仅需要编译器，还需要运行时系统执行编译的代码。运行时系统充当 Objective-C 语言的操作系统，有了它才能运作。

运行时系统所提供功能是非常强大的，在实际开发中是经常使用到的。比如，苹果不允许我们给 Category 追加扩展属性，是因为它不会自动生成成员变量，那么我们通过运行时就可以很好的解决这个问题。另外，常见的模型转字典或者字典转模型，对象归档等。后续我们再来学习如何应用，本节只是讲讲理论。

与Runtime交互

Objective-C 程序有有三种与 runtime 系统交互的级别：

通过 Objective-C 源代码
通过 Foundation 库中定义的 NSObject 提供的方法
通过直接调用 runtime 方法

通过Objective-C源代码

在大多数的部分，运行时系统会自动运行并在后台运行。我们使用它只是写源代码并编译源代码。当编译包含 Objective-C 类和方法的代码时，编译器会创建实现了语言动态特性的数据结构和函数调用。该数据结构捕获在类、扩展和协议中所定义的信息。

最重要的 runtime 函数是发消息函数，在编译时，编译器会转换成类似 objc_msgSend 这样的发送消息的函数。因此，我们通过写好源代码，编译器会自动帮助我们编译成 runtime 代码。

通过NSObject提供的方法

在 Cocoa 编程中，大部分的类都继承于 NSObject ，也就是说 NSObject 通常是根类，大部分的类都继承于 NSObject 。有些特殊的情况下， NSObject 只是提供了它应该要做什么的模板，却没有提供所有必须的代码。

有些 NSObject 提供的方法仅仅是为了查询运动时系统的相关信息，这此方法都可以反查自己。比如 -isKindOfClass: 和 -isMemberOfClass: 都是用于查询在继承体系中的位置。 -respondsToSelector: 指明是否接受特定的消息。 +conformsToProtocol: 指明是否要求实现在指定的协议中声明的方法。 -methodForSelector: 提供方法实现的地址。

通过直接调用runtime函数

runtime 库函数在 usr/include/objc 目录下，我们主要关注是这两个头文件：

  #import <objc/runtime.h> #import <objc/objc.h>

关于如何使用，后续的文章再细细讲解。

消息（Message）

为什么叫消息呢？因为面向对象编程中，对象调用方法叫做发送消息。在编译时，应用的源代码就会被编将对象发送消息转换成 runtime 的 objc_msgSend 函数调用。

在 Objective-C ，消息在运行时并不要求实现。编译器会转换消息表达式：

  [receivermessage];

在编译时会转换成类似这样的函数调用：

  objc_msgSend(receiver, selector);

具体会转换成哪个，我们来看看官方的原话：

  When itencounters a methodcall, thecompilergenerates a calltooneofthe  *  functions /c objc_msgSend, /c objc_msgSend_stret, /c objc_msgSendSuper, or /c objc_msgSendSuper_stret.  *  Messages senttoanobject’s superclass (usingthe /c super keyword) aresentusing /c objc_msgSendSuper;   *  othermessagesaresentusing /c objc_msgSend. Methods thathavedatastructuresasreturn values  *  aresentusing /c objc_msgSendSuper_stretand /c objc_msgSend_stret.

也就是说，我们是通过编译器来自动转换成运行时代码时，它会根据类型自动转换成下面的其它一个函数：

objc_msgSend：其它普通的消息都会通过该函数来发送
objc msgSend stret：消息中需要有数据结构作为返回值时，会通过该函数来发送消息并接收返回值
objc msgSendSuper：与objc msgSend函数类似，只是它把消息发送给父类实例
objc msgSendSuper stret：与objc msgSend stret函数类似，只是它把消息发送给父类实例并接收数组结构作为返回值

另外，如果函数返回值是浮点类型，官方说明如下：

   * arm:    objc_msgSend_fpret notused  * i386:   objc_msgSend_fpret usedfor `float`, `double`, `long double`.  * x86-64: objc_msgSend_fpret usedfor `long double`.  *  * arm:    objc_msgSend_fp2ret notused  * i386:   objc_msgSend_fp2ret notused  * x86-64: objc_msgSend_fp2ret usedfor `_Complex long double`.

其实这是一个条件编译，我们不用担心是哪种处理器上，我们只需要调用 objc_msgSend_fpret 函数即可。

当消息被发送到实例对象时，它是如何处理的：

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我们的根类是 NSObject ，它会一层一层的传递，直接找到要处理该消息的对象，若都没有找到，正常情况下会出现 Unreconized selector ... 这样的崩溃提示了。

Message Forwarding

当发送消息给一个不处理该消息的对象是错误的。然后在宣布错误之前，运行时系统给了接收消息的对象处理消息的第二个机会。

当某对象不处理某消息时，可以通过重写 -forwardInvocation: 方法来提供一个默认的消息响应或者避免出错。当对象中找不到方法实现时，会按照类继承关系一层层往上找。我们看看类继承关系图：

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所有元类中的 isa 指针都指向根元类，而根元类的 isa 指针则指向自身。根元类是继承于根类的，与根类的结构体成员一致，都是 objc_class 结构体，不同的是根元类的 isa 指针指向自身，而根类的 isa 指针为 nil

我们再看看消息处理流程：

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当对象查询不到相关的方法，消息得不到该对象处理，会启动“消息转发”机制。消息转发还分为几个阶段：先询问 receiver 或者说是它所属的类是否能动态添加方法，以处理当前这个消息，这叫做“动态方法解析”，runtime会通过 +resolveInstanceMethod: 判断能否处理。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。

消息处理越往后，开销也就会越大，因此最好直接在第一步就可以得到消息处理。

我们看看类结构体：

  struct objc_class {     Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;   #if !__OBJC2__     Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;     const char *name                                        OBJC2_UNAVAILABLE;     long version                                            OBJC2_UNAVAILABLE;     long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;     long instance_size                                      OBJC2_UNAVAILABLE;     struct objc_ivar_list*ivars                            OBJC2_UNAVAILABLE;     struct objc_method_list**methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;     struct objc_cache*cache                                OBJC2_UNAVAILABLE;     struct objc_protocol_list*protocols                    OBJC2_UNAVAILABLE; #endif   } OBJC2_UNAVAILABLE; /* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

我们可以看到每个类结构体都会有一个 isa 指针，它是指向元类的。它还有一个父类指针 super_class ，指针父类。包含了类的名称 name 、类的版本信息 version 、类的一些标识信息 info 、实例大小 instance_size 、成员变量地址列表 ivars 、方法地址列表 methodLists 、缓存最近使用的方法地址 cache 、协议列表protocols`。

我们在使用时，经常使用到 Class ，它就是：

  typedef struct objc_class*Class;

当类为根类时，它的 super_class 就会是 nil 。普通的 Class 存储的是实例成员，如 - 号方法、属性、成员变量，而 isa 则指向元类，而元类存储的是静态成员，如 + 号方法、 static 成员。

Type Encoding

编码值	含意
c	代表char类型
i	代表int类型
s	代表short类型
l	代表long类型，在64位处理器上也是按照32位处理
q	代表long long类型
C	代表unsigned char类型
I	代表unsigned int类型
S	代表unsigned short类型
L	代表unsigned long类型
Q	代表unsigned long long类型
f	代表float类型
d	代表double类型
B	代表C++中的bool或者C99中的_Bool
v	代表void类型
*	代表char *类型
@	代表对象类型
#	代表类对象 (Class)
:	代表方法selector (SEL)
[array type]	代表array
{name=type…}	代表结构体
(name=type…)	代表union
bnum	A bit field of num bits
^type	A pointer to type
?	An unknown type (among other things, this code is used for function pointers)