1.Runtime简介

因为Objc是一门动态语言,所以它总是想办法把一些决定工作从编译连接推迟到运行时。也就是说只有编译器是不够的,还需要一个运行时系统 (runtime system) 来执行编译后的代码。这就是 Objective-C Runtime 系统存在的意义,它是整个Objc运行框架的一块基石。

Runtime其实有两个版本:“modern”和 “legacy”。我们现在用的 Objective-C 2.0 采用的是现行(Modern)版的Runtime系统,只能运行在 iOS 和 OS X 10.5 之后的64位程序中。而OS X较老的32位程序仍采用 Objective-C 1中的(早期)Legacy 版本的 Runtime 系统。这两个版本最大的区别在于当你更改一个类的实例变量的布局时,在早期版本中你需要重新编译它的子类,而现行版就不需要。

Runtime基本是用C和汇编(437版本开始较多使用mm文件,但是仍用C语法)实现的,可见苹果为了动态系统的高效而作出了很多努力,你可以在这里下到苹果维护的开源代码runtime源码。苹果和GNU各自维护一个开源的runtime版本,这两个版本之间都在努力的保持一致。

2.Runtime相关的头文件

ios的sdk中 usr/include/objc文件夹下面有这样几个文件

List.h
NSObjCRuntime.h
NSObject.h
Object.h
Protocol.h
a.txt
hashtable.h
hashtable2.h
message.h
module.map
objc-api.h
objc-auto.h
objc-class.h
objc-exception.h
objc-load.h
objc-runtime.h
objc-sync.h
objc.h
runtime.h

都是和运行时相关的头文件,其中主要使用的函数定义在message.h和runtime.h这两个文件中。 在message.h中主要包含了一些向对象发送消息的函数,这是OC对象方法调用的底层实现。 runtime.h是运行时最重要的文件,其中包含了对运行时进行操作的方法。 主要包括:

1.操作对象的类型的定义

/// An opaque type that represents a method in a class definition. 一个类型,代表着类定义中的一个方法
typedef struct objc_method *Method; /// An opaque type that represents an instance variable.代表实例(对象)的变量
typedef struct objc_ivar *Ivar; /// An opaque type that represents a category.代表一个分类
typedef struct objc_category *Category; /// An opaque type that represents an Objective-C declared property.代表OC声明的属性
typedef struct objc_property *objc_property_t; // Class代表一个类,它在objc.h中这样定义的 typedef struct objc_class *Class;
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;

这些类型的定义,对一个类进行了完全的分解,将类定义或者对象的每一个部分都抽象为一个类型type,对操作一个类属性和方法非常方便。OBJC2_UNAVAILABLE标记的属性是Ojective-C 2.0不支持的,但实际上可以用响应的函数获取这些属性,例如:如果想要获取Class的name属性,可以按如下方法获取:

Class classPerson = Person.class;
// printf("%s\n", classPerson->name); //用这种方法已经不能获取name了 因为OBJC2_UNAVAILABLE
const char *cname = class_getName(classPerson);
printf("%s", cname); // 输出:Person

2.函数的定义

对对象进行操作的方法一般以object_开头

对类进行操作的方法一般以class_开头

对类或对象的方法进行操作的方法一般以method_开头

对成员变量进行操作的方法一般以ivar_开头

对属性进行操作的方法一般以property_开头

对协议进行操作的方法一般以protocol_开头

根据以上的函数的前缀 可以大致了解到层级关系。对于以objc_开头的方法,则是runtime最终的管家,可以获取内存中类的加载信息,类的列表,关联对象和关联属性等操作。

例如:使用runtime对当前的应用中加载的类进行打印,别被吓一跳。

- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
unsigned int count = 0;
Class *classes = objc_copyClassList(&count);
for (int i = 0; i < count; i++) {
const char *cname = class_getName(classes[i]);
printf("%s\n", cname);
}
}

3.技术点和应用场景

在以下的代码中,都用到了Person类,Person类知识简单的定义了一个成员变量和两个属性

@interface Person : NSObject
{
@private
float _height;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, assign) int age;
@end

3_1.获取属性\成员变量列表

对于获取成员变量的列表可以使用class_copyIvarList函数,如果想要获取属性列表可以使用class_copyPropertyList函数,使用的示例如下:

- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event {

    Class classPerson = NSClassFromString(@"Person"); // 与下面一句效果一样,可以不用导入头文件
// Class clazz = Person.class;
unsigned int count = 0;
Ivar *ivarList = class_copyIvarList(classPerson, &count); // 获取成员变量数组
for (int i = 0; i < count; i++) {
const char *cname = ivar_getName(ivarList[i]); // 获取成员变量的名字
NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];
NSLog(@"%@", name);
}
NSLog(@"-------------------分割线------------------");
objc_property_t *propertyList = class_copyPropertyList(classPerson, &count); // 获取属性数组
for (int i = 0; i < count; i++) {
const char *cname = property_getName(propertyList[i]);
NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];
NSLog(@"%@", name);
} }

以上代码的输出为:

2015-06-05 22:28:16.194 runtime终极[4192:195757] _height
2015-06-05 22:28:16.195 runtime终极[4192:195757] _age
2015-06-05 22:28:16.195 runtime终极[4192:195757] _name
2015-06-05 22:28:16.195 runtime终极[4192:195757] -------------------分割线------------------
2015-06-05 22:28:16.195 runtime终极[4192:195757] name
2015-06-05 22:28:16.195 runtime终极[4192:195757] age

为什么会有上面的输出结果,因为@property会做三份工作:
1.生成一个带下划线的成员变量

2.生成这个成员变量的get方法

3.生成这个成员变量的set方法
因此会输出三个成员变量_height、_age和_name。需要注意的是属性名是不带下划线的,和定义时的名字一样。因此可以说:ivarList可以获取到@property关键字定义的属性
,而propertyList不可以获取到成员变量。也就是:使用ivarList是可以将所有的成员变量和属性都获取的。

当属性是readonly的而且重写了getter时,这种情况还是会遇见的,比如一个属性是计算型属性,需要依赖其他属性的值计算而来。此时生成的带下划线的成员变量就不在了,
通过ivarList不能获取该属性了。因此当有这种值的时候,无论使用ivarList还是使用propertyList都无法获取全部的属性或变量。

在进行下一个话题之前:先需要弄清楚另一个问题:对于一个readonly的属性,到底是didSet+set好,还是重写getter好?

大部分的readonly的属性是计算型的,依旧是依赖于其他属性,因此可以使用didSet+set,也就是在其他属性的set方法内,将本属性set。
但是didSet+set有时候完全没有必要,不符合懒加载的规则,浪费了计算能力,用重写getter的方法好一些。
因此重写getter总是会好一点。

回归正题:在KVC时,想要获取全部的成员变量和属性, 怎么办呢?

首先要了解setValue: forKeyPath:方法的底层实现:以name属性为例
1.首先先去类的方法列表去寻找有木有setName:,如果有,就直接调用[person setName:value]
2.找找有没有带下划线的成员变量_name,如果有 _name = value;
3.找有没有成员变量name,如果有 name = value;
4.如果都没有找到,就直接报错。
因此对于readonly的又重写了getter的属性而言:如果对propertyList的属性一次使用kvc,就会报错,因此为保证代码正常,不能使用propertyList的属性进行kvc;
另外:这种属性本来就是计算型的了,为什么还有为它赋值呢,因此对它进行kvc也不合情理。
当使用ivaList时,直接就无法获取到这种属性,因此是kvc的最佳方案。再者,使用propertyList无法获取成员变量(_height),无法对成员变量进行赋值。而使用ivaList是可以将该赋值的成员变量都获取的。

以上就是使用ivar还是使用property进行kvc的论证。

话题外:
很多类 有些成员变量 既没有暴露给外部调用的getter又没有setter,只是用@private声明了一下:为什么??
猜测是:是方法调用时使用的中间变量,因为是跟随对象产生,不适合使用静态static,又因为外部不会使用,所以没必要给外部提供接口,但是可能有好几个方法都需要这个量,不适合做局部变量,所以就这样定义了。

对于这种情况,要想不对这种成员变量赋值,在KVC时又可以这样改进一下,通过ivarList获取,去掉propertyList中没有的成员变量,这样就过滤掉了上面的那种成员变量了。

3_1_1.应用1:KVC字典转模型

获取属性\成员列表一个重要的应用就是,一次取出模型中的属性\成员变量,根据它的名字获取字典中的key然后取出字典中这个key对应的value,使用setValue: forKeyPath:方法设置值。为什么要这样,而不再使用方法setValuesForKeysWithDictionary:。因为在setValuesForKeysWithDictionary:方法内部会执行这样一个过程
遍历字典里面的所有key,一个一个取出来,遍历每个key按照以下过程
1.取出key,
2.取出key的value,即dict[key],直接给模型的属性\成员变量赋值
3.怎么给模型的属性赋值,使用方法setValue:value forKeyPath:key进行赋值,这个方法的执行过程在前面已经提到。

因此,开发中经常遇到的字典中的key比模型中多时,会出现的 this class is not key-value compliant for ‘xxx’这个bug就很好解释了,通常是因为字典中的key,比模型中的属性\成员变量多。那么当模型中的属性比字典中多时,使用setValuesForKeysWithDictionary:会不不会有bug呢?经测试:当多出来的属性是对象数据类型时,为null,当属性是基本数据类型时,会有一个系统默认值(如int为0)。

因此使用逐一为属性赋值的方法进行KVC:

Class clazz = Person.class;
unsigned int count = 0; Person *person = [[Person alloc]init];
NSDictionary *dict = @{@"name":@"zhangsan",@"age":@19, @"height": @1.75}; Ivar *ivars = class_copyIvarList(clazz, &count);
// NSLog(@"%tu", count); // 3
for (int i = 0; i < count; i++) {
const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);
NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];
NSString *key = [name substringFromIndex:1]; // 去掉'_'
[person setValue:dict[key] forKey:key];
}
NSLog(@"%@", person); // 已经重写了description方法

输出是:

<Person, 0x7ff15b80f230>{ name = zhangsan, height = 1.750000, age = 19}

使用这种方式进行kvc,即使字典中的key多的时候也不会有bug,但是新的问题出现了,如果模型中的属性比字典中的key多便会出现bug而且:如果多的是对象类型不会有bug,该属性的值为null,如果是基本数据类型就会出错could not set nil as the value for the key ‘xxx’。例如,将上面的字典改为:

NSDictionary *dict = @{@"age":@19, @"height": @1.75}; // 去掉了name NSString类型

修改之后输出为:

<Person, 0x7f996263fbd0>{ name = (null), height = 1.750000, age = 19}

如果将字典改为:

NSDictionary *dict = @{@"name":@"zhangsan",@"age":@19}; // 去掉了height float类型

程序直接崩溃。

如何解决上面的bug:可以在setValue:value forKeyPath:key方法调用之前进行如下处理:取出属性对应的类型,如果类型是基本数据类型,value替换为默认值(如int对应默认值为0)。

runtime提供的ivar_getTypeEncoding函数可以获取到属性的类型,返回值代表的含义如下:


height是float类型对应的TypeCode是"f"因此可以进行过滤一下,代码改动如下:

Class clazz = Person.class;
unsigned int count = 0; Person *person = [[Person alloc]init];
NSDictionary *dict = @{@"name":@"zhangsan",@"age":@19, @"height": @1.75}; Ivar *ivars = class_copyIvarList(clazz, &count);
for (int i = 0; i < count; i++) {
const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);
NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];
NSString *key = [name substringFromIndex:1]; const char *coding = ivar_getTypeEncoding(ivars[i]); // 获取类型
NSString *strCode = [NSString stringWithUTF8String:coding];
id value = dict[key];
if ([strCode isEqualToString:@"f"]) {// 判断类型是否是float
value = @(0.0);
} [person setValue:value forKey:key];
}
NSLog(@"%@", person);

这样就可以正常执行了,输出为:

<Person, 0x7fc75d004a00>{ name = zhangsan, height = 0.000000, age = 19}

3_1_2.应用2:NSCoding归档和解档

获取属性\成员列表另外一个重要的应用就是进行归档和解档,其原理和上面的kvc基本上一样,这里只是展示一些代码:

- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder {
unsigned int count = 0;
Ivar *ivars = class_copyIvarList(self.class, &count);
for (int i = 0; i < count; i++) {
const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);
NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];
NSString *key = [name substringFromIndex:1]; id value = [self valueForKey:key]; // 取出key对应的value
[aCoder encodeObject:value forKey:key]; // 编码
}
}
- (id)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder {
if (self = [super init]) {
unsigned int count = 0;
Ivar *ivars = class_copyIvarList(self.class, &count);
for (int i = 0; i < count; i++) {
const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);
NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];
NSString *key = [name substringFromIndex:1]; id value = [aDecoder decodeObjectForKey:key]; // 解码
[self setValue:value forKey:key]; // 设置key对应的value
}
}
return self;
}

3_2.交换方法实现

交换方法实现的需求场景:自己创建了一个功能性的方法,在项目中多次被引用,当项目的需求发生改变时,要使用另一种功能代替这个功能,要求是不改变旧的项目(也就是不改变原来方法的实现)。

可以在类的分类中,再写一个新的方法(是符合新的需求的),然后交换两个方法的实现。这样,在不改变项目的代码,而只是增加了新的代码 的情况下,就完成了项目的改进。

交换两个方法的实现一般写在类的load方法里面,因为load方法会在程序运行前加载一次,而initialize方法会在类或者子类在 第一次使用的时候调用,当有分类的时候会调用多次。

// 程序一运行的时候调用
+ (void)load
{
// 如果是类方法,使用的是class_getClassMethod,如果是对象方法使用的是class_getInstanceMethod
Method methodOne = class_getInstanceMethod(self, @selector(methodOne:));
Method methodTwo = class_getInstanceMethod(self, @selector(methodTwo:));
// 交换两个方法的实现
method_exchangeImplementations(methodOne, methodTwo);
}

注意的是
1.可以交换的两个方法的参数必须是匹配的,参数的类型一致。
2.如果在方法one的内部想要调用方法two,此时在方法one的内部应该用one调用,而实际上是在调用two,否则会造成死循环。
例如:

// 交换前
- (NSString *) methodOne:(NSString *)str{
NSLog(@"%@", [self methodTwo:str]);
return "suc";
}
// 交换后 在方法的实现中,要注意将调用two的地方,换成自己的名字
- (NSString *) methodOne:(NSString *)str{
NSLog(@"%@", [self methodOne:str]);
return "suc";
}

任何一个方法都有两个重要的属性:SEL是方法的编号 ,IMP是方法的实现,方法的调用过程实际上去根据SEL去寻找IMP。
在这个例子中,假设在交换之前SEL为methodOne:的方法指向着IMP1,SEL为methodTwo的方法指向着IMP2。
交换实现实际上是在底层是交换了方法编号的指向,也就是让methodOne:指向了IMP2,methodTwo指向了IMP1。

3_3.类\对象的关联对象

关联对象不是为类\对象添加属性或者成员变量(因为在设置关联后也无法通过ivarList或者propertyList取得)
,而是为类添加一个相关的对象,通常用于存储类信息,例如存储类的属性列表数组,为将来字典转模型的方便。
例如,将属性的名称存到数组中设置关联

const char* propertiesKey = "propertiesKey";
unsigned int count = 0;
Ivar *ivars = class_copyIvarList([Person class], &count); NSMutableArray *arrayM = [NSMutableArray arrayWithCapacity:count]; for (unsigned int i = 0; i < count; ++i) {
Ivar pty = ivars[i];
const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);
NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];
NSString *key = [name substringFromIndex:1]; // 去掉_
[arrayM addObject:key];
}
free(ivars);
objc_setAssociatedObject(self, propertiesKey, arrayM, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
NSLog(@"%@", arrayM);

输出是

(
age,
height,
name
)

objc_setAssociatedObject方法的参数解释:

第一个参数id object, 当前对象
第二个参数const void *key, 关联的key,可以是任意类型
第三个参数id value, 被关联的对象
第四个参数objc_AssociationPolicy policy关联引用的规则,取值有以下几种:

enum {
OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN = 0,
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC = 1,
OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC = 3,
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN = 01401,
OBJC_ASSOCIATION_COPY = 01403
};

如果想要获取已经关联的对象,通过key取得即可

NSArray *pList = objc_getAssociatedObject(Person, propertiesKey);

可以将以上两种操作封装起来,为Person类增加一个properties类方法,封装上面的操作,用于方便获取类的属性列表。

const char* propertiesKey = "propertiesKey";

@implementation Person
+ (NSArray *)properties {
// 如果已经关联了,就依据key取出被关联的对象并返回
NSArray *pList = objc_getAssociatedObject(self, propertiesKey);
if (pList != nil) {
return pList;
}
// 如果没有关联,则设置关联对象,并将对象返回
unsigned int count = 0;
Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &count); NSMutableArray *arrayM = [NSMutableArray arrayWithCapacity:count]; for (unsigned int i = 0; i < count; ++i) {
Ivar pty = ivars[i];
const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);
NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];
NSString *key = [name substringFromIndex:1];
[arrayM addObject:key];
}
free(ivars);
objc_setAssociatedObject(self, propertiesKey, arrayM, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
return arrayM.copy;
}
@end

3_4.动态添加方法,拦截未实现的方法

每个类都有都有一下两个类方法(来自NSObject)
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
以上两个一个使用于类方法,一个适用于对象方法。在代码中调用没有实现的方法时,也就是sel标识的方法没有实现
都会现调用这两个方法中的一个(如果是类方法就调用第一个,如果是对象方法就调用第二个)拦截。
通常的做法是在resolve的内部指定sel对应的IMP,从而完成方法的动态创建和调用两个过程,也可以不指定IMP打印错误信息后直接返回。

假如在Person类中没有-sayHi这个方法,如果对象p使用[p performSelector:@selector(sayHi) withObject:nil];那么就会必须经过Person类的resolveInstanceMethod:(SEL)sel方法,在这里为-sayHi指定实现。

void abc(id self, SEL _cmd){
NSLog(@"%@说了hello", [self name]);
} @implementation Person //动态添加方法:在resolve中添加相应的方法,注意是类方法还是对象方法。
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
if ([NSStringFromSelector(sel) isEqualToString:@"sayHi"]) {
class_addMethod(self, sel, abc, "v@:"); // 为sel指定实现为abc
}
return YES;
}
@end

对实现(abc)的前两个参数的说明

每个方法的内部都默认包含两个参数,被称为隐式参数
id类型self(代表类或对象)和SEL类型的_cmd(方法编号)

class_addMethod函数参数的含义:

第一个参数Class cls, 类型
第二个参数SEL name, 被解析的方法
第三个参数 IMP imp, 指定的实现
第四个参数const char *types,方法的类型,具体参照类型的codeType那张图,但是要注意一点:Since the function must take at least two arguments—self and _cmd, the second and third characters must be “@:” (the first character is the return type).译为:因为函数必须至少有两个参数self和_cmd,第二个和第三个字符必须是“@:”。如果想要再增加参数,就可以从实现的第三个参数算起,看下面的例子就明白。
返回值:YES if the method was found and added to the receiver, otherwise NO.

为-sayHi方法的实现增加参数

调用时:

Person *p = [[Person alloc] init];

p.name = @"zhangsan";
p.age = 10;
[p performSelector:@selector(sayHi:) withObject:@"world"]; // 增加了一个参数,多了冒号

对Person类中的代码做了修改

void abc(id self, SEL _cmd, NSString *content){ // 增加了一个参数content
NSLog(@"%@说了hello%@", [self name], content);
} @implementation Person //动态添加方法:在resolve中添加相应的方法,注意是类方法还是对象方法。
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
if ([NSStringFromSelector(sel) isEqualToString:@"sayHi:"]) {
class_addMethod(self, sel, abc, "v@:@"); // 增加了一个对象类型参数 增加了@
}
return YES;
}
@end

输出为:

zhangsan说了helloworld

3_5.动态创建一个类

动态创建一个类,为这个类添加成员变量和方法,并创建这个类型的对象:

#import "ViewController.h"
#import <objc/runtime.h>
#import <objc/message.h>
#import "Person.h" static void printSchool(id self, SEL _cmd) {
NSLog(@"我的学校是%@", [self valueForKey:@"schoolName"]);
} @implementation ViewController - (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
Class classStudent = objc_allocateClassPair(Person.class, "Student", 0); // 添加一个NSString的变量,第四个参数是对其方式,第五个参数是参数类型
if (class_addIvar(classStudent, "schoolName", sizeof(NSString *), 0, "@")) {
NSLog(@"添加成员变量schoolName成功");
} // 为Student类添加方法 "v@:"这种写法见参数类型连接
if (class_addMethod(classStudent, @selector(printSchool), (IMP)printSchool, "v@:")) {
NSLog(@"添加方法printSchool:成功");
} // 注册这个类到runtime系统中就可以使用他了
objc_registerClassPair(classStudent); // 返回void // 使用创建的类
id student = [[classStudent alloc] init];
NSString *schoolName = @"清华大学";
// 给刚刚添加的变量赋值
// object_setInstanceVariable(student, "schoolName", (void *)&str);在ARC下不允许使用
[student setValue:schoolName forKey:@"schoolName"];
// 调用printSchool方法,也就是给student这个接受者发送printSchool:这个消息
// objc_msgSend(student, "printSchool"); // 我尝试用这种方法调用但是没有成功
[student performSelector:@selector(printSchool) withObject:nil]; // 动态调用未显式在类中声明的方法 }
@end

输出的结果是:

添加成员变量schoolName成功
添加方法printSchool成功
我的学校是清华大学

面试题

说说什么是runtime

1>OC 是一个全动态语言,OC 的一切都是基于 Runtime 实现的
平时编写的OC代码, 在程序运行过程中, 其实最终都是转成了runtime的C语言代码, runtime算是OC的幕后工作者
比如:
OC :
[[Person alloc] init]

runtime :
objc_msgSend(objc_msgSend("Person" , "alloc"), "init")
2>runtime是一套比较底层的纯C语言API, 属于1个C语言库, 包含了很多底层的C语言API
3>runtimeAPI的实现是用C和汇编,是一套苹果开源的框架

使用过runtime吗,用它来做什么。

本文二、三部分。

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