格而知之6：我所理解的Runtime（1）

基本简介

1、根据官方文档，OC有一个特性：它会尽可能把一些决定从编译时和链接时推迟到运行时才处理，所以这门语言需要的就不只是一个编译器，它还需要一个runtime系统来处理那些已经被编译过的代码。

2、runtime有两种：legacy runtime和modern runtime，区别在于：

(1)、在legacy runtime中，如果你修改了一个类的实例变量之后，你需要重新编译一下；

(2)、在modern runtime中，在这种情况下你无需再重新编译一次。

3、OC的程序和runtime系统有三个层次的交互方式：

(1)、大部分时候，当你直接使用OC代码的时候，runtime系统便在运作了。这其中一个最主要的功能便是消息发送（Messaging）；

(2)、使用一些NSObject类的方法，比如description或isKindOfClass: 、isMemberOfClass:等方法（其实大部分的类都是继承自NSObject，都可以使用这些方法，也有一些继承自其它类，比如继承自NSProxy类）；

(3)、直接调用runtime提供的方法。

消息发送（Messaging）的概念

4、在讨论消息发送之前，我们先要明白一个概念：方法的selector是什么？

方法的selector是根据这个方法的方法名计算得出的一个key，通过这个key可以得到反推出这个方法的方法名。由于selector是根据方法名得出的，所以同名的方法的selector都是相同的。

而在一个类中，为了让一个selector可以唯一标识出一个方法，于是在同一个类里就不允许有两个同名的方法，即使参数不同也不行。（所以OC没有方法重载）

方法除了selector之外，另外还有一个组成部分是方法实现（procedure ，也即是method implementation），指的是方法的实现代码。

所以可以这么理解：方法就是它的selector和实现的统称。

同时需要注意的是，一个方法的selector和实现之间并不是固定对应的，消息发送的过程其实就是通过方法的selector找到它的实现的过程。

5、消息发送的基本流程：

在OC里面，当我们“调用”方法的时候，使用的是：

[receiver message]

这样的语法，这句代码其实并不会立刻就去执行message方法的代码，在这句代码和message方法的代码之间，有一个消息发送（Messaging）的过程。

编译器把这一句代码编译成了：

objc_msgSend(receiver, selector)

如果方法有多个参数的话，会连同参数被编译成：

objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)

然后这个objc_msgSend()函数执行的过程便是消息发送的过程了。

消息其实就是objc_msgSend()函数的所有参数的并称，可以理解为：消息（Message）就是方法调用者、方法的selector和方法的参数等细节的集合。

消息发送的过程其实就是objc_msgSend()函数会根据receiver和selector参数找到对应的方法实现代码（procedure ，也即是method implementation）并执行它的过程。

在这个过程中，objc_msgSend()函数是如何找到对应的类，找到对应的方法实现的呢？并且如果在查找的过程中发生了意外的话，它又会怎么处理呢？

在研究这些问题之前，我们先要了解一下runtime相关的一些数据结构。

runtime相关的数据结构

6、我们从objc_msgSend()这个方法的定义入手，来研究一下这些数据结构，objc_msgSend()的定义如下：

id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)

它有两个主要的参数，一个是id类型的，一个SEL类型的。

(1)、首先来看SEL这个类型，我们可以找到它的定义如下：

没有找到struct objc_selector进一步的定义，但是我们通过字面可以知道这个结构体便是方法，或者是能够唯一标识出这个方法的一些信息，而SEL作为一个指向selector的指针，便可理解为指向某个方法的指针了；

(2)、objc_msgSend()的另一个主要参数是id类型的，我们可以找到id类型的定义如下：

所以id其实是一个指向struct objc_object结构体的指针，而struct objc_object这个结构体包含了一个成员isa，这个成员的数据类型是Class，那么接下来就来看看Class是什么；

(3)、Class的定义如下：

我们可以知道，Class是一个指向struct objc_class结构体的指针，再进一步找到struct objc_class结构体的定义，如下：

可以看到struct objc_class结构体包含了很多成员，我们一个一个来查看这些成员。

7、struct objc_class：

(1)、首先我们可以神奇地发现，struct objc_class结构体的第一个成员的数据类型竟然也是Class，由上面我们已经知道Class是一个指向struct objc_class结构体的指针，所以struct objc_class结构体的第一个成员也是一个同样叫做isa 的struct objc_class结构体。

这说明了，类本身也是某种类的实例。这个先按下不表，在后文(9)中再做讨论；

(2)、struct objc_class结构体（以下直接称为“类”）的第二个成员仍然是一个Class类型的数据super_class，表示这个结构体对象对应的父类；

(3)、version和info都是存储着类相关的信息，当某个类的实例变量发生变化的时候，它的version的内容会跟着发生变化；

(4)、instance_size是这个类生成的实例对象的大小；

(5)、成员ivars指针指向了struct objc_ivar_list结构体类型的数据，我们可以找到struct objc_ivar_list结构体这种数据的定义：

可以看到其中最主要的成员是一个由struct objc_ivar结构体组成的数组ivar_list[]，它便是这个类所包含的所有实例变量组成数组。

我们还可以进一步查看到struct objc_ivar结构体的定义：

所以其实一个struct objc_ivar结构体便是一个成员变量；

(6)、成员methodLists和ivars类似，我们先看一下struct objc_method_list这种数据类型的定义：

结构和struct objc_ivar_list基本相似，主要内容也是一个数组，由struct objc_method类型的数据组成，我们再看一下struct objc_method的定义：

可以发现struct objc_method类型的数据便是其实便是方法了。这个结构体最主要的成员是一个IMP类型的数据method_imp，它其实是一个指向方法实现代码的指针。

同时，可以注意到成员methodLists是一个二级指针，这决定了它可以更改指向的*methodLists，即是可以修改方法列表，这也是Category可以添加方法的原因；

(7)、成员cache用来存储经常调用的method，当对某个对象调用方法时，runtime会根据对象的isa指针找到对象对应的类，然后首先在类的cache中查到要调用的方法，当cache中找不到之后，才会去methodLists中查找；

(8)、成员protocols标识这个类遵循的协议；

(9)、前面说到，类本身也是某种类的实例，我们从Class第一个成员isa也是一个Class类型的的数据的出这个结论的。

类所属的类，称为元类（Meta Class），元类存储着一个类的所有类方法，类是这个元类的实例。当我们调用类方法的时候，其实把这个类当做一个实例向它发送消息：当我们向一个对象发送消息时，runtime会在这个对象所属的这个类的方法列表中查找方法；而向一个类发送消息时，会在这个类的元类的方法列表中查找。

再继续深究下去，发现元类也是一个类，那么它的isa指针又该指向哪里呢？这样一直延伸下去会无穷无尽，所以所有元类的isa指针会被指向同一个类——基类（Root Class）的元类，基类的元类的isa指针又指向了它自己，形成了一个闭环。

需要清楚一个概念：元类（meta class）和父类（super class）是两个不同的概念，一般一个类都会有个一个元类和一个父类。

元类是这个类作为一个对象看待时，它所属的类；父类是这个类作为类看待时，它继承而来的类。

它们的关系如下图：

可以注意到，基类（Root Class）其实就是NSObject，它的superclass指向nil。NSObject的元类的父类指针指向NSObject，最终在顶部形成了一个回路。

参考文档：

官方文档

https://github.com/samlaudev/RuntimeDemo

www.jianshu.com/p/25a319aee33d