iOS開發·runtime原理新葡京網站開發與實踐: 基本知識篇
1.1 基本概念: 運行時
Runtime 的概念
Runtime 又叫運行時，是一套底層的 C 語言 API，其為 iOS 內部的核心之一，我們平時編寫的 OC 代碼，底層都是基於它來實現的。比如：
以上你可能看不出它的價值，但是我們需要了解的是 Objective-C 是一門動態語言，它會將一些工作放在代碼運行時才處理而並非編譯時。也就是說，有很多類和成員變量在我們編譯的時是不知道的，而在運行時，我們所編寫的代碼會轉換成完整的確定的代碼運行。
因此，編譯器是不夠的，我們還需要一個運行時系統(Runtime system)來處理編譯後的代碼。Runtime 基本是用 C 和匯編寫的，由此可見蘋果為了動態系統的高效而做出的努力。蘋果和 GNU 各自維護一個開源的 Runtime 版本，這兩個版本之間都在努力保持一致。
Runtime 的作用
Objc 在三種層面上與 Runtime 系統進行交互：
通過 Objective-C 源代碼
通過 Foundation 框架的 NSObject 類定義的方法
通過對 Runtime 庫函數的直接調用
1.2 各種基本概念的C表達
在 Objective-C 中，類、對象和方法都是一個 C 的結構體，從 objc/objc.h（對象，objc_object，id）以及objc/runtime.h（其它，類，方法，方法列表，變量列表，屬性列表等相關的）以及中，我們可以找到他們的定義。
① 類
類對象(Class)是由程序員定義並在運行時由編譯器創建的，它沒有自己的實例變量，這裏需要註意的是類的成員變量和實例方法列表是屬於實例對象的，但其存儲於類對象當中的。我們在objc/objc.h下看看Class的定義:
Class
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可以看到類是由Class類型來表示的，它是一個objc_class結構類型的指針。我們接著來看objc_class結構體的定義:objc_class
參數解析
isa指針是和Class同類型的objc_class結構指針，類對象的指針指向其所屬的類，即元類。元類中存儲著類對象的類方法，當訪問某個類的類方法時會通過該isa指針從元類中尋找方法對應的函數指針。
super_class指針指向該類所繼承的父類對象，如果該類已經是最頂層的根類(如NSObject或NSProxy), 則 super_class為NULL。
cache：用於緩存最近使用的方法。一個接收者對象接收到一個消息時，它會根據isa指針去查找能夠響應這個消息的對象。在實際使用中，這個對象只有一部分方法是常用的，很多方法其實很少用或者根本用不上。這種情況下，如果每次消息來時，我們都是methodLists中遍歷一遍，性能勢必很差。這時，cache就派上用場了。在我們每次調用過一個方法後，這個方法就會被緩存到cache列表中，下次調用的時候runtime就會優先去cache中查找，如果cache沒有，才去methodLists中查找方法。這樣，對於那些經常用到的方法的調用，但提高了調用的效率。
version：我們可以使用這個字段來提供類的版本信息。這對於對象的序列化非常有用，它可是讓我們識別出不同類定義版本中實例變量布局的改變。
protocols：當然可以看出這一個objc_protocol_list的指針。關於objc_protocol_list的結構體構成後面會講。
獲取類的類名
實例對象是我們對類對象alloc或者new操作時所創建的，在這個過程中會拷貝實例所屬的類的成員變量，但並不拷貝類定義的方法。調用實例方法時，系統會根據實例的isa指針去類的方法列表及父類的方法列表中尋找與消息對應的selector指向的方法。同樣的，我們也來看下其定義:
objc_object
可以看到，這個結構體只有一個isa變量，指向實例對象所屬的類。任何帶有以指針開始並指向類結構的結構都可以被視作objc_object, 對象最重要的特點是可以給其發送消息。 NSObject類的alloc和allocWithZone:方法使用函數class_createInstance來創建objc_object數據結構。
另外我們常見的id類型，它是一個objc_object結構類型的指針。該類型的對象可以轉換為任何一種對象，類似於C語言中void *指針類型的作用。其定義如下所示:
id
元類(Metaclass)就是類對象的類，每個類都有自己的元類，也就是objc_class結構體裏面isa指針所指向的類. Objective-C的類方法是使用元類的根本原因，因為其中存儲著對應的類對象調用的方法即類方法。
當向對象發消息，runtime會在這個對象所屬類方法列表中查找發送消息對應的方法，但當向類發送消息時，runtime就會在這個類的meta class方法列表裏查找。所有的meta class，包括Root class，Superclass，Subclass的isa都指向Root class的meta class，這樣能夠形成一個閉環。
所以由上圖可以看到，在給實例對象或類對象發送消息時，尋找方法列表的規則為:
當發送消息給實例對象時，消息是在尋找這個對象的類的方法列表(實例方法)
當發送消息給類對象時，消息是在尋找這個類的元類的方法列表(類方法)
元類，就像之前的類一樣，它也是一個對象，也可以調用它的方法。所以這就意味著它必須也有一個類。所有的元類都使用根元類作為他們的類。比如所有NSObject的子類的元類都會以NSObject的元類作為他們的類。
根據這個規則，所有的元類使用根元類作為他們的類，根元類的元類則就是它自己。也就是說基類的元類的isa指針指向他自己。
操作函數
super_class和meta-class
在Objective-C中，屬性(property)和成員變量是不同的。那麽，屬性的本質是什麽？它和成員變量之間有什麽區別？簡單來說屬性是添加了存取方法的成員變量，也就是:
@property = ivar + getter + setter;
因此，我們每定義一個@property都會添加對應的ivar, getter和setter到類結構體objc_class中。具體來說，系統會在objc_ivar_list中添加一個成員變量的描述，然後在methodLists中分別添加setter和getter方法的描述。下面的objc_property_t是聲明的屬性的類型，是一個指向objc_property結構體的指針。
用法舉例
另外，關於屬性有一個objc_property_attribute_t結構體列表，objc_property_attribute_t結構體包含name和value
objc_property_attribute_t
常用的屬性如下：
屬性類型 name值：T value：變化
編碼類型 name值：C(copy) &(strong) W(weak)空(assign) 等 value：無
非/原子性 name值：空(atomic) N(Nonatomic) value：無
變量名稱 name值：V value：變化
例如
⑤ 成員變量
Ivar: 實例變量類型，是一個指向objc_ivar結構體的
指針
Ivar
在objc_class中，所有的成員變量、屬性的信息是放在鏈表ivars中的。ivars是一個數組，數組中每個元素是指向Ivar(變量信息)的指針。
objc_ivar_list
其中，
方法名類型為 SEL
方法類型 method_types 是個 char 指針，存儲方法的參數類型和返回值類型
method_imp 指向了方法的實現，本質是一個函數指針
簡言之，Method = SEL + IMP + method_types，相當於在SEL和IMP之間建立了一個映射。
操作函數
在源碼中沒有直接找到 objc_selector 的定義，從一些書籍上與 Blog 上看到可以將 SEL 理解為一個 char* 指針。
具體這 objc_selector 結構體是什麽取決與使用GNU的還是Apple的運行時， 在Mac OS X中SEL其實被映射為一個C字符串，可以看作是方法的名字，它並不一個指向具體方法實現（IMP類型才是）。
對於所有的類，只要方法名是相同的，產生的selector都是一樣的。
操作函數
實際上就是一個函數指針，指向方法實現的首地址。通過取得 IMP，我們可以跳過 runtime 的消息傳遞機制，直接執行 IMP指向的函數實現，這樣省去了 runtime 消息傳遞過程中所做的一系列查找操作，會比直接向對象發送消息高效一些，當然必須說明的是，這種方式只適用於極特殊的優化場景，如效率敏感的場景下大量循環的調用某方法。
操作函數
上面提到了objc_class結構體中的cache字段，它用於緩存調用過的方法。這個字段是一個指向objc_cache結構體的指針，其定義如下：
Cache
該結構體的字段描述如下：
mask：一個整數，指定分配的緩存bucket的總數。在方法查找過程中，Objective-C runtime使用這個字段來確定開始線性查找數組的索引位置。指向方法selector的指針與該字段做一個AND位操作(index = (mask & selector))。這可以作為一個簡單的hash散列算法。
occupied：一個整數，指定實際占用的緩存bucket的總數。
buckets：指向Method數據結構指針的數組。這個數組可能包含不超過mask+1個元素。需要註意的是，指針可能是NULL，表示這個緩存bucket沒有被占用，另外被占用的bucket可能是不連續的。這個數組可能會隨著時間而增長。
? 協議鏈表
前面objc_class的結構體中有個協議鏈表的參數，協議鏈表用來存儲聲明遵守的正式協議
objc_protocol_list
- 方法調用流程
objc_msgSend() Tour 系列文章通過對 objc_msgSend 的匯編源碼分析，總結出以下流程：
2.1 方法調用流程
檢查 selector 是否需要忽略
檢查 target 是否為 nil，如果是 nil 就直接 cleanup，然後 return
在 target 的 Class 中根據 selector 去找 IMP
2.2 尋找 IMP 的過程:
在當前 class 的方法緩存裏尋找（cache methodLists）
找到了跳到對應的方法實現，沒找到繼續往下執行
從當前 class 的 方法列表裏查找（methodLists），找到了添加到緩存列表裏，然後跳轉到對應的方法實現；沒找到繼續往下執行
從 superClass 的緩存列表和方法列表裏查找，直到找到基類為止
以上步驟還找不到 IMP，則進入消息動態處理和消息轉發流程，詳見請關註微信公眾號：程序員大牛！
我們能在 objc4官方源碼 中找到上述尋找 IMP 的過程，具體對應的代碼如下：
objc-class.mm
- 運行時相關的API
3.1 通過 Foundation 框架的 NSObject 類定義的方法
Cocoa 程序中絕大部分類都是 NSObject 類的子類，所以都繼承了 NSObject 的行為。(NSProxy 類時個例外，它是個抽象超類)
一些情況下，NSObject 類僅僅定義了完成某件事情的模板，並沒有提供所需要的代碼。例如 -description 方法，該方法返回類內容的字符串表示，該方法主要用來調試程序。NSObject 類並不知道子類的內容，所以它只是返回類的名字和對象的地址，NSObject 的子類可以重新實現。
還有一些 NSObject 的方法可以從 Runtime 系統中獲取信息，允許對象進行自我檢查。例如：
-class方法返回對象的類；
-isKindOfClass: 和 -isMemberOfClass: 方法檢查對象是否存在於指定的類的繼承體系中(是否是其子類或者父類或者當前類的成員變量)；
-respondsToSelector: 檢查對象能否響應指定的消息；
-conformsToProtocol:檢查對象是否實現了指定協議類的方法；
-methodForSelector: 返回指定方法實現的地址。
常見的一個例子：
id 和 void 轉換API：(__bridge void )
在 ARC 有效時，通過 (__bridge void )轉換 id 和 void 就能夠相互轉換。為什麽轉換？這是因為objc_getAssociatedObject的參數要求的。先看一下它的API：
可以知道，這個“屬性名”的key是必須是一個void *類型的參數。所以需要轉換。關於這個轉換，下面給一個轉換的例子：
- 運行時實戰指南
上面的API不是提供大家背的，而是用來查閱的，當你要用到的時候查閱。因為這些原理和API光看沒用，需要實戰之後再回過頭來查閱和理解。筆者另外寫了runtime的原理與實踐。如果想了解runtime的更多知識，可以關註微信公眾號：程序員大牛，每天分享幹貨！
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