深入理解Objective-C Runtime

一、简介

主要特点：

• 在OC语言中，函数的调用是属于动态调用的，编译阶段并不确定要调用的函数，在真正的运行时才会根据函数名查找要调用哪个函数。
• 而在C语言中，函数的调用是在编译阶段就已经确定要调用哪个函数。
• 可以调用私有的方法。
• Runtime一般是针对系统的类进行操作。

Xcode6之前，苹果不介意开发者使用Runtime的底层函数，且有参数提示。

Xcode6之后，苹果不推荐开发者使用Runtime的底层函数，也没有了参数提示。可以到build setting ⟹ 搜索msg ⟹ 把Enable Strict Checking of

objc_msgSend Calls设置成NO即可，即：不使objc_msgsend严格检查要求。这时使用Xcode敲Runtime函数就会有参数提示。

关键术语：

• 类对象：是用来创建实例对象的类，本身也是一个对象，也会分配内存。
• 类方法：以加号(+)开头，保存在所属的元类的方法列表中。
• 实例对象：就是一个类对象通过实例化产生的对象。
• 实例方法：以减号(-)开头，就是对象的方法，保存在所属的类对象的方法列表中。
• SEL：又叫选择器，是表示一个方法的selector的指针，方法的selector用于表示运行时方法的名字。定义为：typedef struct objc_selector *SEL;，两个类之间，不管它们是父类与子类的关系，还是之间没有这种关系，只要方法名相同，那么方法的SEL就是一样的。每一个方法都对应着一个SEL。所以在 Objective-C同一个类(及类的继承体系)中，不能存在2个同名的方法，即使参数类型不同也不行。相同的方法只能对应一个SEL。不同的类可以拥有相同的selector，这个没有问题。不同类的实例对象执行相同的selector时，会在各自的方法列表中去根据selector去寻找自己对应的IMP。工程中的所有的SEL组成一个Set集合，Set的特点就是唯一，因此SEL是唯一的。因此，如果我们想到这个方法集合中查找某个方法时，只需要去找到这个方法对应的SEL就行了，SEL实际上就是根据方法名hash化了的一个字符串，而对于字符串的比较仅仅需要比较他们的地址就可以了  本质上，SEL只是一个指向方法的指针。
• IMP：实际上是一个函数指针，指向方法实现的首地址。其定义为：id (*IMP)(id, SEL, ...)；，第一个参数是指向self的指针(如果是实例方法，则是类实例的内存地址；如果是类方法，则是指向元类的指针)，第二个参数是方法选择器(selector)，接下来是方法的实际参数列表。

二、Runtime的用法

1、发送消息。

• 方法调用的本质，就是让对象发送消息，底层实现是调用函数objc_msgSend(id self, SEL op, ...)，参数"id self"是向谁发送消息，"SEL op"是发送什么消息，"..."是方法的参数。
• 使用此函数需导入头文件#import <objc/message.h>。
• 在命令行用clang -rewrite-objc main.m可查看最终生成的代码。
• 消息机制实现原理是，对象根据方法编号SEL去映射表中查找对应的方法实现。

   #import "ViewController.h"
   #import <objc/message.h>
  
   @implementation ViewController
   - (void)viewDidLoad {
       [super viewDidLoad];
   //    NSString *str = [[NSString alloc] init];
   //    str = [str stringByAppendingString:@"haha"];
   //
   //    如下是底层实现
   //    NSString *str = objc_msgSend([NSString class], @selector(alloc));
   //    str = objc_msgSend(str, @selector(init));
   //    str = objc_msgSend(str, @selector(stringByAppendingString:), @"hahaha");
   //    如下是更底层实现
       // objc_getClass()获取类对象，sel_getUid()注册方法，同sel_registerName()、@selector()和NSSelectorFromString()。

       NSString *str = objc_msgSend(objc_getClass("NSString"), sel_getUid("alloc"));
       str = objc_msgSend(str, sel_getUid("init"));
       str = objc_msgSend(str, sel_getUid("stringByAppendingString:"), @"haha");
   }
  
   @end

方法调用过程：对象接收到消息 ⟹ 根据isa指针找到对应的类对象 ⟹  根据方法名注册一个方法编号 ⟹ 根据方法编号在类对象的方法列表中查找对象的方法(其实是方法实现的地址) ⟹ 根据指定地址去方法代码区找到方法的实现，传递参数并执行方法。

2、交换方法。

当系统自带的方法功能不够用时，可以用交换方法的方式给系统自带的方法扩展一些功能，并保持原有的功能不受影响。

操作步骤：

• 先给类对象添加一个分类。
• 自己实现一个带有扩展功能的方法。
• 交换方法，一般在load或initialize方法中操作。

创建分类：

•  // 给UIImage扩充一个功能：当图片加载完成后，打印出成功或失败信息。
   // 给UIImage定义一个分类extension。
   #import <UIKit/UIKit.h>
  
   @interface UIImage (extension)
   @end

实现自己的方法，用自己的方法交换系统的方法：

•   #import "UIImage+extension.h"
    #import <objc/message.h>
  
    @implementation UIImage (extension)
  
    // 只要此类被项目引用，程序启动时就会调用这个方法。
    + (void)load {
        // 这个函数用来获取类的方法。第一个参数：获取哪个类的方法。第二个参数：获取哪个方法。
        Method imageNamed = class_getClassMethod(self, sel_getUid("imageNamed:"));
       Method hl_imageNamed = class_getClassMethod(self, sel_getUid("hl_imageNamed:"));
  
       // 交换两个方法的实现部分。
       // 即调用imageNamed就会执行hl_imageNamed的实现，调用hl_imageNamed就会执行imageNamed的实现。
       method_exchangeImplementations(imageNamed, hl_imageNamed);
   }
  
   // 一个带有扩展系统功能的方法实现。
   + (UIImage *)hl_imageNamed:(NSString *)name {
       // 此时会调用imageNamed的系统实现部分，因为实现部分已经做了交换。
       UIImage *image = [self hl_imageNamed:name];
       if (image) {
           NSLog(@"图片加载成功。");
       } else {
           NSLog(@"图片加载失败。");
       }
       return image;
   }
  
   @end

在控制器中测试一下交换后的效果：

•  #import "ViewController.h"
   #import "UIImage+extension.h"
  
   @implementation ViewController
  
   - (void)viewDidLoad {
       [super viewDidLoad];
       UIImage *img = [UIImage imageNamed:@""];
   }
  
   @end

3、动态添加方法。

在OC中，只要某个方法实现了，就会被加载到类对象的方法列表中。然而有些方法不一定会用，或着极少用到，如果同样加载到方法列表中，对系统的内存会增加一些压力。这种情况下可以用Runtime让方法在真正用到时再添加。

动态调用方法：

•  #import "ViewController.h"
   #import "Student.h"
  
   @implementation ViewController
  
   - (void)viewDidLoad {
       [super viewDidLoad];
  
       Student *student = [[Student alloc] init];
       // 动态调用Student的实例方法sing。
       [student performSelector:@selector(sing)];
       // 动态调用Student的实例方法并传入两个参数。
       [student performSelector:@selector(age:height:) withObject:@ withObject:@180.0];
   }
  
   @end

动态添加方法：

•  #import "Student.h"
   #import <objc/message.h>
  
   @implementation Student
  
   // 函数不会放入方法列表，系统默认传递的隐式参数id self(当前类对象或者实例对象)和SEL _cmd(当前方法的编号)。
   void sing(id self, SEL _cmd) {
       NSLog(@"哥在唱歌");
   }
  
   void ageAndHeight(id self, SEL _cmd, NSNumber *age, NSNumber *height) {
       NSLog(@"年龄是：%@，身高是：%@", age, height);
   }
  
   // 只要调用了一个未实现的方法，就会调用这个方法进行处理。
   + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
       if (sel == NSSelectorFromString(@"sing")) {
           // __unsafe_unretained Class cls:给哪个类添加方法。
           // SEL name:添加什么方法。
           // IMP imp:方法实现的函数。
           // const char *types:方法类型。
           class_addMethod([self class], sel, (IMP)sing, "v@:");
       } else if (sel == NSSelectorFromString(@"age:height:")) {
           class_addMethod([self class], sel, (IMP)ageAndHeight, "v@:@@");
       }
       return [super resolveInstanceMethod:sel];
   }
  
   @end

函数类型表：

• 函数类型的表示：即class_addMethod(__unsafe_unretained Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)的最后一个参数。

  Code               Meaning
  c                   A char
  i                   An int
  s                   A short
  l                   A long, l is treated as a -bit quantity on -bit programs.
  q                   A long long
  C                   An unsigned char
  I                   An unsigned int
  S                   An unsigned short
  L                   An unsigned long
  Q                   An unsigned long long
  f                   A float
  d                   A double
  B                   A C++ bool or a C99 _Bool
  v                   A void
  *                   A character string (char *)
  @                   An object (whether statically typed or typed id)
  #                   A class object (Class)
  :                   A method selector (SEL)
  [array type]        An array
  {name=type...}      A structure
  (name=type...)      A 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)

4、动态添加属性。

动态添加属性的本质是让某个属性和某个对象产生关联。开发中为系统的类添加属性时一般采用Runtime动态添加的方式来解决。

给系统的类对象扩展一个分类：

•  #import <UIKit/UIKit.h>
  
   @interface UIImageView (extension)
   // 在分类中用@property，只会生成get和set方法的声明，不会生成实现代码和下划线成员变量。
   // get和set的实现方法需要在implementation中实现。
   // 因为@property在分类中不会生成成员变量，所以这些copy、nonatomic等策略是无效的，可以不写。
   @property NSString *name;
  
   @end

实现getter和setter方法，在set方法中添加属性，在get方法中获取属性：

•  #import "UIImageView+extension.h"
   #import <objc/message.h>
  
   @implementation UIImageView (extension)
  
   - (void)setName:(NSString *)name {
       // id object：给哪个对象添加属性。
       // const void *key：属性名称。
       // id value：属性值。
       // objc_AssociationPolicy policy：属性的保存策略，是一个枚举，相当于assign、retain、copy等。
       objc_setAssociatedObject(self, @"name", name, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
   }
  
   - (NSString *)name {
       return objc_getAssociatedObject(self, @"name");
   }
  
   @end

测试一下效果：

•  #import "ViewController.h"
   #import "UIImageView+extension.h"
  
   @implementation ViewController
  
   - (void)viewDidLoad {
       [super viewDidLoad];
       UIImageView *iconView = [[UIImageView alloc] init];
       iconView.name = @"大图片";
       NSLog(@"%@", iconView.name);
   }
  
   @end

 三、相关函数。

1、objc_xxx 系列函数，关注于宏观使用，如类与协议的空间分配、注册、注销等操作。

函数名称	函数作用
objc_getClass	获取Class对象
objc_getMetaClass	获取MetaClass对象
objc_allocateClassPair	分配空间,创建类(仅在 创建之后,注册之前 能够添加成员变量)
objc_registerClassPair	注册一个类(注册后方可使用该类创建对象)
objc_disposeClassPair	注销某个类
objc_allocateProtocol	开辟空间创建协议
objc_registerProtocol	注册一个协议
objc_constructInstance	构造一个实例对象(ARC下无效)
objc_destructInstance	析构一个实例对象(ARC下无效)
objc_setAssociatedObject	为实例对象关联对象
objc_getAssociatedObje*ct	获取实例对象的关联对象
objc_removeAssociatedObjects	清空实例对象的所有关联对象
objc_msgSend	发送ObjC消息

2、class_xxx 系列函数，关注于类的内部，如实例变量、属性、方法、协议等相关问题。

函数名称	函数作用
class_addIvar	为类添加实例变量
class_addProperty	为类添加属性
class_addMethod	为类添加方法
class_addProtocol	为类遵循协议
class_replaceMethod	替换类某方法的实现
class_getName	获取类名
class_isMetaClass	判断是否为元类
objc_getProtocol	获取某个协议
objc_copyProtocolList	拷贝在运行时中注册过的协议列表
class_getSuperclass	获取某类的父类
class_setSuperclass	设置某类的父类
class_getProperty	获取某类的属性
class_getInstanceVariable	获取实例变量
class_getClassVariable	获取类变量
class_getInstanceMethod	获取实例方法
class_getClassMethod	获取类方法
class_getMethodImplementation	获取方法的实现
class_getInstanceSize	获取类的实例的大小
class_respondsToSelector	判断类是否实现某方法
class_conformsToProtocol	判断类是否遵循某协议
class_createInstance	创建类的实例
class_copyIvarList	拷贝类的实例变量列表
class_copyMethodList	拷贝类的方法列表
class_copyProtocolList	拷贝类遵循的协议列表
class_copyPropertyList	拷贝类的属性列表

3、object_xxx 系列函数，关注于对象的角度,如实例变量。

函数名称	函数作用
object_copy	对象copy(ARC无效)
object_dispose	对象释放(ARC无效)
object_getClassName	获取对象的类名
object_getClass	获取对象的Class
object_setClass	设置对象的Class
object_getIvar	获取对象中实例变量的值
object_setIvar	设置对象中实例变量的值
object_getInstanceVariable	获取对象中实例变量的值 (ARC中无效,使用  object_getIvar )
object_setInstanceVariable	设置对象中实例变量的值 (ARC中无效,使用  object_setIvar )

4、method_xxx 系列函数，关注于方法内部,如果方法的参数及返回值类型和方法的实现。

函数名称	函数作用
method_getName	获取方法名
method_getImplementation	获取方法的实现
method_getTypeEncoding	获取方法的类型编码
method_getNumberOfArguments	获取方法的参数个数
method_copyReturnType	拷贝方法的返回类型
method_getReturnType	获取方法的返回类型
method_copyArgumentType	拷贝方法的参数类型
method_getArgumentType	获取方法的参数类型
method_getDescription	获取方法的描述
method_setImplementation	设置方法的实现
method_exchangeImplementations	替换方法的实现

5、property_xxx 系列函数，关注于属性内部,如属性的特性等。

函数名称	函数作用
property_getName	获取属性名
property_getAttributes	获取属性的特性列表
property_copyAttributeList	拷贝属性的特性列表
property_copyAttributeValue	拷贝属性中某特性的值

6、protocol_xxx 系列函数。

函数名称	函数作用
protocol_conformsToProtocol	判断一个协议是否遵循另一个协议
protocol_isEqual	判断两个协议是否一致
protocol_getName	获取协议名称
protocol_copyPropertyList	拷贝协议的属性列表
protocol_copyProtocolList	拷贝某协议所遵循的协议列表
protocol_copyMethodDescriptionList	拷贝协议的方法列表
protocol_addProtocol	为一个协议遵循另一协议
protocol_addProperty	为协议添加属性
protocol_getProperty	获取协议中的某个属性
protocol_addMethodDescription	为协议添加方法描述
protocol_getMethodDescription	获取协议中某方法的描述

7、ivar_xxx 系列函数。

函数名称	函数作用
ivar_getName	获取Ivar名称
ivar_getTypeEncoding	获取类型编码
ivar_getOffset	获取偏移量

8、sel_xxx 系列函数。

函数名称	函数作用
sel_getName	获取名称
sel_getUid	注册方法
sel_registerName	注册方法
sel_isEqual	判断方法是否相等

9、imp_xxx 系列函数。

函数名称	函数作用
imp_implementationWithBlock	通过代码块创建IMP
imp_getBlock	获取函数指针中的代码块
imp_removeBlock	移除IMP中的代码块