Swift 中的协议扩展为 iOS 开发带来了非常多的可能性,它为我们提供了一种类似多重继承的功能,帮助我们减少一切可能导致重复代码的地方。
在 Swift 中比较出名的 Then 就是使用了协议扩展为所有的 AnyObject
添加方法,而且不需要调用 runtime 相关的 API,其实现简直是我见过最简单的开源框架之一:
public protocol Then {} extension Then where Self: AnyObject { public func then(@noescape block: Self -> Void) -> Self { block(self) return self } } extension NSObject: Then {}
只有这么几行代码,就能为所有的 NSObject
添加下面的功能:
let titleLabel = UILabel().then { $0.textColor = .blackColor() $0.textAlignment = .Center }
这里没有调用任何的 runtime 相关 API,也没有在 NSObject
中进行任何的方法声明,甚至 protocol Then {}
协议本身都只有一个大括号,整个 Then 框架就是基于协议扩展来实现的。
在 Objective-C 中同样有协议,但是这些协议只是相当于接口,遵循某个协议的类只表明实现了这些接口,每个类都需要 对这些接口有单独的实现 ,这就很可能会导致重复代码的产生。
而协议扩展可以调用协议中声明的方法,以及 where Self: AnyObject
中的 AnyObject
的类/实例方法,这就大大提高了可操作性,便于开发者写出一些意想不到的扩展。
如果读者对 Protocol Extension 兴趣或者不了解协议扩展,可以阅读最后的了解相关内容。
其实协议扩展的强大之处就在于它能为遵循协议的类添加一些方法的实现,而不只是一些接口,而今天为各位读者介绍的ProtocolKit 就实现了这一功能,为遵循协议的类添加方法。
我们先来看一下如何使用 ProtocolKit,首先定义一个协议:
@protocol TestProtocol @required - (void)fizz; @optional - (void)buzz; @end
在协议中定义了两个方法,必须实现的方法 fizz
以及可选实现 buzz
,然后使用 ProtocolKit 提供的接口 defs
来定义协议中方法的实现了:
@defs(TestProtocol) - (void)buzz { NSLog(@"Buzz"); } @end
这样所有遵循 TestProtocol
协议的对象都可以调用 buzz
方法,哪怕它们没有实现:
上面的 XXObject
虽然没有实现 buzz
方法,但是该方法仍然成功执行了。
ProtocolKit 的主要原理仍然是 runtime 以及宏的;通过宏的使用来 隐藏类的声明以及实现的代码 ,然后在 main 函数运行之前, 将类中的方法实现加载到内存 ,使用 runtime 将实现 注入到目标类 中。
如果你对上面的原理有所疑惑也不是太大的问题,这里只是给你一个 ProtocolKit 原理的简单描述,让你了解它是如何工作的。
ProtocolKit 中有两条重要的执行路线:
_pk_extension_load
将协议扩展中的方法实现加载到了内存 _pk_extension_inject_entry
负责将扩展协议注入到实现协议的类 首先要解决的问题是如何将方法实现加载到内存中,这里可以先了解一下上面使用到的 defs
接口,它其实只是一个调用了其它宏的 超级宏
:
#define defs _pk_extension #define _pk_extension($protocol) _pk_extension_imp($protocol, _pk_get_container_class($protocol)) #define _pk_extension_imp($protocol, $container_class) / protocol $protocol; / @interface $container_class : NSObject <$protocol> @end / @implementation $container_class / + (void)load { / _pk_extension_load(@protocol($protocol), $container_class.class); / } / #define _pk_get_container_class($protocol) _pk_get_container_class_imp($protocol, __COUNTER__) #define _pk_get_container_class_imp($protocol, $counter) _pk_get_container_class_imp_concat(__PKContainer_, $protocol, $counter) #define _pk_get_container_class_imp_concat($a, $b, $c) $a ## $b ## _ ## $c
使用 defs
作为接口的是因为它是一个保留的 keyword,Xcode 会将它渲染成与 @property
等其他关键字相同的颜色。
上面的这一坨宏并不需要一个一个来分析,只需要看一下最后展开会变成什么:
@protocol TestProtocol; @interface __PKContainer_TestProtocol_0 : NSObject <TestProtocol> @end @implementation __PKContainer_TestProtocol_0 + (void)load { _pk_extension_load(@protocol(TestProtocol), __PKContainer_TestProtocol_0.class); }
根据上面宏的展开结果,这里可以介绍上面的一坨宏的作用:
defs
这货没什么好说的,只是 _pk_extension
的别名,为了提供一个更加合适的名字作为接口 _pk_extension
向 _pk_extension_imp
中传入 $protocol
和 _pk_get_container_class($protocol)
参数
_pk_get_container_class
的执行生成一个类名,上面生成的类名就是 __PKContainer_TestProtocol_0
,这个类名是 __PKContainer_
、 $protocol
和 __COUNTER__
拼接而成的( __COUNTER__
只是一个计数器,可以理解为每次调用时加一) _pk_extension_imp
会以传入的类名生成一个遵循当前 $protocol
协议的类,然后在 + load
方法中执行 _pk_extension_load
加载扩展协议 通过宏的运用成功隐藏了 __PKContainer_TestProtocol_0
类的声明以及实现,还有 _pk_extension_load
函数的调用:
void _pk_extension_load(Protocol *protocol, Class containerClass) { pthread_mutex_lock(&protocolsLoadingLock); if (extendedProtcolCount >= extendedProtcolCapacity) { size_t newCapacity = 0; if (extendedProtcolCapacity == 0) { newCapacity = 1; } else { newCapacity = extendedProtcolCapacity << 1; } allExtendedProtocols = realloc(allExtendedProtocols, sizeof(*allExtendedProtocols) * newCapacity); extendedProtcolCapacity = newCapacity; } ... pthread_mutex_unlock(&protocolsLoadingLock); }
ProtocolKit 使用了 protocolsLoadingLock
来保证静态变量 allExtendedProtocols
以及 extendedProtcolCount
extendedProtcolCapacity
不会因为线程竞争导致问题:
allExtendedProtocols
用于保存所有的 PKExtendedProtocol
结构体 方法的后半部分会在静态变量中寻找或创建传入的 protocol
对应的 PKExtendedProtocol
结构体:
size_t resultIndex = SIZE_T_MAX; for (size_t index = 0; index < extendedProtcolCount; ++index) { if (allExtendedProtocols[index].protocol == protocol) { resultIndex = index; break; } } if (resultIndex == SIZE_T_MAX) { allExtendedProtocols[extendedProtcolCount] = (PKExtendedProtocol){ .protocol = protocol, .instanceMethods = NULL, .instanceMethodCount = 0, .classMethods = NULL, .classMethodCount = 0, }; resultIndex = extendedProtcolCount; extendedProtcolCount++; } _pk_extension_merge(&(allExtendedProtocols[resultIndex]), containerClass);
这里调用的 _pk_extension_merge
方法非常重要,不过在介绍 _pk_extension_merge
之前,首先要了解一个用于保存协议扩展信息的私有结构体 PKExtendedProtocol
:
typedef struct { Protocol *__unsafe_unretained protocol; Method *instanceMethods; unsigned instanceMethodCount; Method *classMethods; unsigned classMethodCount; } PKExtendedProtocol;
PKExtendedProtocol
结构体中保存了协议的指针、实例方法、类方法、实例方法数以及类方法数用于框架记录协议扩展的状态。
回到 _pk_extension_merge
方法,它会将新的扩展方法追加到 PKExtendedProtocol
结构体的数组 instanceMethods
以及 classMethods
中:
void _pk_extension_merge(PKExtendedProtocol *extendedProtocol, Class containerClass) { // Instance methods unsigned appendingInstanceMethodCount = 0; Method *appendingInstanceMethods = class_copyMethodList(containerClass, &appendingInstanceMethodCount); Method *mergedInstanceMethods = _pk_extension_create_merged(extendedProtocol->instanceMethods, extendedProtocol->instanceMethodCount, appendingInstanceMethods, appendingInstanceMethodCount); free(extendedProtocol->instanceMethods); extendedProtocol->instanceMethods = mergedInstanceMethods; extendedProtocol->instanceMethodCount += appendingInstanceMethodCount; // Class methods ... }
因为类方法的追加与实例方法几乎完全相同,所以上述代码省略了向结构体中的类方法追加方法的实现代码。
实现中使用 class_copyMethodList
从 containerClass
拉出方法列表以及方法数量;通过 _pk_extension_create_merged
返回一个合并之后的方法列表,最后在更新结构体中的 instanceMethods
以及 instanceMethodCount
成员变量。
_pk_extension_create_merged
只是重新 malloc
一块内存地址,然后使用 memcpy
将所有的方法都复制到了这块内存地址中,最后返回首地址:
Method *_pk_extension_create_merged(Method *existMethods, unsigned existMethodCount, Method *appendingMethods, unsigned appendingMethodCount) { if (existMethodCount == 0) { return appendingMethods; } unsigned mergedMethodCount = existMethodCount + appendingMethodCount; Method *mergedMethods = malloc(mergedMethodCount * sizeof(Method)); memcpy(mergedMethods, existMethods, existMethodCount * sizeof(Method)); memcpy(mergedMethods + existMethodCount, appendingMethods, appendingMethodCount * sizeof(Method)); return mergedMethods; }
这一节的代码从使用宏生成的类中抽取方法实现,然后以结构体的形式加载到内存中,等待之后的方法注入。
注入方法的时间点在 main 函数执行之前议实现的注入并不是在 + load
方法 + initialize
方法调用时进行的,而是使用的编译器指令(compiler directive) __attribute__((constructor))
实现的:
__attribute__((constructor)) static void _pk_extension_inject_entry(void);
使用上述编译器指令的函数会在 shared library 加载的时候执行,也就是 main 函数之前,可以看 StackOverflow 上的这个问题 How exactly does attribute ((constructor)) work? 。
__attribute__((constructor)) static void _pk_extension_inject_entry(void) { #1:加锁 unsigned classCount = 0; Class *allClasses = objc_copyClassList(&classCount); @autoreleasepool { for (unsigned protocolIndex = 0; protocolIndex < extendedProtcolCount; ++protocolIndex) { PKExtendedProtocol extendedProtcol = allExtendedProtocols[protocolIndex]; for (unsigned classIndex = 0; classIndex < classCount; ++classIndex) { Class class = allClasses[classIndex]; if (!class_conformsToProtocol(class, extendedProtcol.protocol)) { continue; } _pk_extension_inject_class(class, extendedProtcol); } } } #2:解锁并释放 allClasses、allExtendedProtocols }
_pk_extension_inject_entry
会在 main 执行之前遍历内存中的 所有 Class
(整个遍历过程都是在一个自动释放池中进行的),如果某个类遵循了 allExtendedProtocols
中的协议,调用 _pk_extension_inject_class
向类中注射(inject)方法实现:
static void _pk_extension_inject_class(Class targetClass, PKExtendedProtocol extendedProtocol) { for (unsigned methodIndex = 0; methodIndex < extendedProtocol.instanceMethodCount; ++methodIndex) { Method method = extendedProtocol.instanceMethods[methodIndex]; SEL selector = method_getName(method); if (class_getInstanceMethod(targetClass, selector)) { continue; } IMP imp = method_getImplementation(method); const char *types = method_getTypeEncoding(method); class_addMethod(targetClass, selector, imp, types); } #1: 注射类方法 }
如果类中没有实现该实例方法就会通过 runtime 中的 class_addMethod
注射该实例方法;而类方法的注射有些不同,因为类方法都是保存在元类中的,而一些类方法由于其特殊地位最好不要改变其原有实现,比如 + load
和 + initialize
这两个类方法就比较特殊,如果想要了解这两个方法的相关信息,可以在中查看相关的信息。
Class targetMetaClass = object_getClass(targetClass); for (unsigned methodIndex = 0; methodIndex < extendedProtocol.classMethodCount; ++methodIndex) { Method method = extendedProtocol.classMethods[methodIndex]; SEL selector = method_getName(method); if (selector == @selector(load) || selector == @selector(initialize)) { continue; } if (class_getInstanceMethod(targetMetaClass, selector)) { continue; } IMP imp = method_getImplementation(method); const char *types = method_getTypeEncoding(method); class_addMethod(targetMetaClass, selector, imp, types); }
实现上的不同仅仅在获取元类、以及跳过 + load
和 + initialize
方法上。
ProtocolKit 通过宏和 runtime 实现了类似协议扩展的功能,其实现代码总共也只有 200 多行,还是非常简洁的;在另一个叫做 libextobjc 的框架中也实现了类似的功能,有兴趣的读者可以查看 EXTConcreteProtocol.h · libextobjc 这个文件。
Github Repo: iOS-Source-Code-Analyze
Follow: Draveness · Github