iOS开发：详解Objective-C runTime

Objective-C总Runtime的那点事儿（一）消息机制

最近在找工作，Objective-C中的Runtime是经常被问到的一个问题，几乎是面试大公司必问的一个问题。当然还有一些其他问题也几乎必问，例如：RunLoop，Block，内存管理等。其他的问题如果有机会我会在其他文章中介绍。

本篇文章主要介绍RunTime。

RunTime简称运行时。就是系统在运行的时候的一些机制，其中最主要的是消息机制。对于C语言，函数的调用在编译的时候会决定调用哪个函数（ C语言的函数调用请看这里 ）。编译完成之后直接顺序执行，无任何二义性。

OC的函数调用成为消息发送。属于动态调用过程。在编译的时候并不能决定真正调用哪个函数（事实证明，在编译阶段，OC可以调用任何函数，即使这个函数并未实现，只要申明过就不会报错。而C语言在编译阶段就会报错）。只有在真正运行的时候才会根据函数的名称找到对应的函数来调用。

那OC是怎么实现动态调用的呢？下面我们来看看OC通过发送消息来达到动态调用的秘密。假如在OC中写了这样的一个代码：

1	[obj makeText];

其中obj是一个对象，makeText是一个函数名称。对于这样一个简单的调用。在编译时RunTime会将上述代码转化成

1	objc_msgSend(obj,@selector(makeText));

首先我们来看看obj这个对象，iOS中的obj都继承于NSObject。

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@interface NSObject <NSOBJECT> {     Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY; }

在NSObjcet中存在一个Class的isa指针。然后我们看看Class：

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typedef struct objc_class *Class; struct objc_class {   Class isa; // 指向metaclass        Class super_class ; // 指向其父类   const char *name ; // 类名   long version ; // 类的版本信息，初始化默认为0，可以通过runtime函数class_setVersion和class_getVersion进行修改、读取   long info; // 一些标识信息,如CLS_CLASS (0x1L) 表示该类为普通 class ，其中包含对象方法和成员变量;CLS_META (0x2L) 表示该类为 metaclass，其中包含类方法;   long instance_size ; // 该类的实例变量大小(包括从父类继承下来的实例变量);   struct objc_ivar_list *ivars; // 用于存储每个成员变量的地址   struct objc_method_list **methodLists ; // 与 info 的一些标志位有关,如CLS_CLASS (0x1L),则存储对象方法，如CLS_META (0x2L)，则存储类方法;   struct objc_cache *cache; // 指向最近使用的方法的指针，用于提升效率；   struct objc_protocol_list *protocols; // 存储该类遵守的协议     }

我们可以看到，对于一个Class类中，存在很多东西，下面我来一一解释一下：

Class isa：指向metaclass，也就是静态的Class。一般一个Obj对象中的isa会指向普通的Class，这个Class中存储普通成员变量和对象方法（“-”开头的方法），普通Class中的isa指针指向静态Class，静态Class中存储static类型成员变量和类方法（“+”开头的方法）。

Class super_class:指向父类，如果这个类是根类，则为NULL。

下面一张图片很好的描述了类和对象的继承关系：

注意：所有metaclass中isa指针都指向跟metaclass。而跟metaclass则指向自身。Root metaclass是通过继承Root class产生的。与root class结构体成员一致，也就是前面提到的结构。不同的是Root metaclass的isa指针指向自身。

Class类中其他的成员这里就先不做过多解释了，下面我们来看看：

@selector (makeText)：这是一个SEL方法选择器。SEL其主要作用是快速的通过方法名字（makeText）查找到对应方法的函数指针，然后调用其函数。SEL其本身是一个Int类型的一个地址，地址中存放着方法的名字。对于一个类中。每一个方法对应着一个SEL。所以iOS类中不能存在2个名称相同的方法，即使参数类型不同，因为SEL是根据方法名字生成的，相同的方法名称只能对应一个SEL。

下面我们就来看看具体消息发送之后是怎么来动态查找对应的方法的。

首先，编译器将代码[obj makeText];转化为objc_msgSend(obj, @selector (makeText));，在objc_msgSend函数中。首先通过obj的isa指针找到obj对应的class。在Class中先去cache中通过SEL查找对应函数method（猜测cache中method列表是以SEL为key通过hash表来存储的，这样能提高函数查找速度），若 cache中未找到。再去methodList中查找，若methodlist中未找到，则取superClass中查找。若能找到，则将method加入到cache中，以方便下次查找，并通过method中的函数指针跳转到对应的函数中去执行。

 

iOS开发：详解Objective-C runtime

什么是Objective-C runtime?

Objective-C runtime是一个实现Objective-C语言的C库。对象可以用C语言中的结构体表示，而方法（methods）可以用C函数实现。这些结构体和函数被runtime函数封装后，Objective-C程序员可以在程序运行时创建，检 查，修改类，对象和它们的方法。

除了封装，Objective-C runtime库也负责找出方法的最终执行代码。当程序执行[object doSomething]时，不会直接找到方法并调用。相反，一条消息（message）会发送给对象（在这儿，我们通常叫它接收者）。runtime库 给次机会让对象根据消息决定该作出什么样的反应。Alan Kay反复强调消息传递（message-passing）是Smalltalk最重要的部分（Objective-C根据Smalltalk发展而来），而不是对象：

由于以前关于这个话题我创造了“对象”这个词，现在很多人都对这个概念趋之若鹜，这让我感到非常遗憾。

其实这里面更为重要的理念是“消息命令”（messaging），这才是Smalltalk的核心内容（现在尚有一些内容还没有全部完成）。日 语中有个简短的单词叫做“ma”，它用来表示两个物体之间的东西，在英语中和它最相近的单词也许是“interstitial”。制造一个庞大且可扩展系 统的关键是设计它各个模块之间的通信方式，而不是关注它的内部属性和行为。

实际上，在一篇介绍Smalltalk虚拟机的文章里，这门编程技术被叫做消息传递或者消息传送范式。“面向对象”通常用来描述内存管理系统。

在演讲和文章中都使用ObjC runtime这个词，看似只有一个，实际上存在很多runtime库。虽然它们都支持对象的自省检查和消息接收，但是它们却有不同的特性和实现方式（例 如，同样是发送消息，Apple的runtime用一步完成，而GNU runtime会先查询这些消息，然后执行查找到的函数分两步完成）。以下所有的讨论，都是基于Apple的最新runtime库（苹果公司在OSX 10.5和iOS发布时的版本）。

在那次演讲中，我决定研究runtime库某些领域的功能。我找了一些希望更透彻了解的东西，然后把它们做成问答的形式组成我的演讲。

动态创建类

如何实现Key-Value Observing?

当我在准备这次演讲时，一篇叫做KVO considered harmful 的文章开始拥有很多拥趸。它提出了很多对KVO正确的批评，但相对于舍弃观察者模式不用，我更想探索出一种新的实现方式。

KVO实现观察者模式的关键是它偷偷摸摸将被观察对象的类改变了，它子类化原来的类后，就能够自定义该对象的方法来调用KVO的回调方法。这些都是通过 objc_duplicateClass这个方法完成，但很遗憾，这个方法并不公开，我们无法私自调用。

条条大路通罗马，好在除了objc_duplicateClass，还有其他方法可以通过使用秘密子类化的方式实现观察者模式，比如创建和注册 “class pair”。那么什么是class pair呢？对于Objective-C的类来说，都有一对Class的对象来定义它：Class对象定义了这个类的实例方法，而metaclass定义 了这个类的类方法。所以每个class其实是它metaclass的单例。

这个代码展 示了观察者模式的工作原理。当你给对象增加观察者时，这个对象首先会检查自己是否可被观察，如果是，它会新创建一个类，用我们自己的-dealloc替代 原来类的方法，同样它也会把-class方法替换掉，类似于KVO被观察对象，当你访问被观察对象的类名时，返回的是它原来的类名，而不是新生成的类。

创建完类后，我们需要照着 Key-Value Coding为属性增加一个setter方法：这个setter方法会获取这个属性修改前的值和修改后的值，然后调用block形式的回调函数，将这两个值告诉观察者。代码中根据我们的意愿，这个block可以异步调用。

请注意， -addObserverForKey:withBlock:会使用s object_setClass() 将被观察对象的类替代为新组建的类。这样做最主要的目的是将消息转变为方法的方式改变，但是这需要非常小心，原来的类和新的类必须有相同的成员变量布局。 因为成员变量也是用过runtime访问，修改某个对象的类可能导致runtime无法找到对应的变量。

我们在存储观察者集合时遇到些麻烦，因为没地方去存它们。给ObserverPattern这个类增加成员变量不起作用，因为根本没有生成这个类的对象。被观察对象的成员变量是它原来类的，它并没有考虑过这些观察者。

Objective-C runtime通过引入associated objects帮助我们摆脱这个困境。在runtime里，理论上所有对象都可以拥有包含其他对象的字典。通过associated references，被观察对象可以存储和访问他们的观察者，而不需要额外的成员变量。

如果你运行多次后，你会发现ObserverPattern 还是有点小毛病的。由于观察者回调是异步调用的，观察者接

收到的变化事件也是乱序的。这意味着观察者其实无法区分被观察属性的最终状态是什么，回调中的新值可能早已被修改。我这样做的目的是为了说明在KVO中同步调用回调其实是个有用的特色，并非bug。

创建对象

那些额外的字节都是干啥用的？

当你创建一个 Objective-C对象时，runtime会在实例变量存储区域后面再分配一点额外的空间。这么做的目的是什么呢？你可以获取这块空间起始指针（用 object_getIndexedIvars），然后就可以索引实例变量（ivars）。好吧，下面我会使用自定义数组来说明一下索引ivars的用 处。

让我们创建一个数组！从这个SimpleArray中可以看到两件事情：最明显的一件是它使用了类簇模式。 当使用+alloc方法返回对象时，一般情况下已经为这个对象分配了所有的内存，但是在这个例子中，在+alloc时并不知道需要多大的内存空间。只有当 调用了 -initWithObjects:count:以后，才能根据数组内对象数量计算出这个数组需要多大的内存，所以+alloc只是返回一个占位符，只有 在初始化后才会分配和返回真正的数组对象。

或许你会问为什么我们要用类簇把事情搞那么复杂，使用 calloc()另外分配一块大小合适的缓存，然后把那些对象指针存到里面不就得了？答案是希望利用局部性原理提高访问性能。从数组的设计上我们可以看出，每次数组指针被访问时，之后会有很大几率访问到缓存指针，所以把它们肩并肩的放入内存意味着找到其中一个就是找到了另外一个。

消息派发

消息如何转发？

Objective-C其中一个强大特性是对象不需要实现某个方法，尽管它在编译时声明了该选择符（selector）。但它可以在运行时再决 定方法实现，或者将这些消息转发给其他对象，或者发出异常，亦或做一些其他事情。但是这个特性的某些方面曾经一直困扰我：消息转发（message forwarding）会调用 -forwardInvocation:，然后传入一个NSInvocation 对象。但是这个NSInvocation 类是在Foundation库中定义的，难道说runtime工作需要Foundation配合？

我试着挖掘其中的原因，发现答案并不是我想的那样，runtime不需要知道Foundation。runtime会让程序定义转发函数 （forwarding function），当 objc_msgSend()无法找到该selector的实现时，那个转发函数就会被调用。程序一启动，CoreFoundation就将 -forwardInvocation:定义成转发函数。

让我们来创建一个Ruby！ 当然并不是真的实现完整的Ruby，Ruby有一个叫做#method_missing的函数，当对象收到一个它没有实现的消息时，这个函数就会被调到， 这和Smalltalk的做法比较相似。使用objc_setForwardHandler，我们也能在Objective-C的类中实现类似Ruby的 methodMissing:方法。

总结

Objective-C runtime可以有效的帮助我们为程序增加很多动态的行为。一些开发者除了使用method swizzling帮助调试程序，并不会在实际程序中使用它，但runtime编程的确有很多功能，它应该成为实际应用代码编写的重要工具。

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