iOS開發：Runtime解析
在iOS開發過程中，使用Runtime的場景雖然沒有GCD多，但是也是一個不容忽視的模組，而且在面試找工作的時候也是面試官必考題。那麼下面就來了解一下Runtime的相關知識，大牛請繞行，不喜勿噴。
一、Runtime概念
1.Runtime，又叫執行時，是一套關於底層的C語言API，為iOS內部的核心之一，我們在編寫OC程式碼的時候，底層都是基於它來實現的。
Objective-C是一門面向物件的動態語言，它會將一些工作放在程式碼執行時才處理而並非編譯時。也就是說，有很多類和成員變數在編譯的時候是不知道的，而在執行時，所編寫的程式碼會轉換成完整的確定的程式碼執行。因此，指望編譯器是遠遠不夠的，還需要一個執行時系統(Runtime system)來處理編譯後的程式碼。Runtime基本是用C和彙編寫的，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。eg：[receiver message];
底層執行時會被編譯器轉化為：
objc_msgSend(receiver, selector)
如果它還有引數，比如：
[receiver message:(id)arg...];
底層執行時，會被編譯器轉化為：
objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)
2.為什麼需要Runtime：
3.Runtime的作用：
Objective-C在三種層面上與Runtime系統進行互動：
1.通過OC原始碼
只需要編寫OC程式碼，Runtime系統自動在後臺搞定一切，呼叫方法，編譯器會將OC程式碼轉換成執行時程式碼，在執行時確定資料結構和函式。
2.通過Foundation框架的NSObject類定義的方法
Cocoa程式中絕大部分類都是NSObject類的子類，所以都繼承了NSObject的行為。(NSProxy類是個例外，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程式碼。例如-description方法，該方法返回類內容的字串表示，該方法主要用來除錯程式。NSObject類並不知道子類的內容，所以它只是返回類的名字和物件的地址，NSObject的子類可以重新實現。
還有一些NSObject的方法可以從Runtime系統中獲取資訊，允許物件進行自我檢查。例如：
-class方法返回物件的類；
-isKindOfClass: 和 -isMemberOfClass: 方法檢查物件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數)；
-respondsToSelector: 檢查物件能否響應指定的訊息；
-conformsToProtocol:檢查物件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。
3.通過對Runtime庫函式的直接呼叫
Runtime系統是具有公共介面的動態共享庫。標頭檔案存放於/usr/include/objc目錄下，這意味著開發者使用時只需要引入objc/Runtime.h標頭檔案即可。
許多函式可以讓你使用C語言來實現Objc中同樣的功能。除非是寫一些OC與其他語言的橋接或是底層的debug工作，開發者在寫OC程式碼時一般不會用到這些C語言函式。
二、Runtime的相關術語
1.SEL
它是selector在OC中的表示(Swift中是Selector類)。selector是方法選擇器，其實作用就和名字一樣，日常生活中，我們通過人名辨別誰是誰，注意OC在相同的類中不會有命名相同的兩個方法。selector 對方法名進行包裝，以便找到對應的方法實現。它的資料結構是：typedef struct objc_selector *SEL;
我們可以看出它是個對映到方法的C字串，你可以通過OC編譯器器命令@selector() 或者Runtime系統的sel_registerName函式來獲取一個SEL型別的方法選擇器。
注意：不同類中相同名字的方法所對應的selector是相同的，由於變數的型別不同，所以不會導致它們呼叫方法實現混亂。
2.id
id是一個引數型別，它是指向某個類的例項的指標。定義如下：
typedef struct objc_object *id;
struct objc_object { Class isa; };
由上定義，看到objc_object結構體包含一個isa指標，根據isa指標就可以找到物件所屬的類。
注意：isa指標在程式碼執行時並不總指向例項物件所屬的型別，所以不能依靠它來確定型別，要想確定型別還是需要用物件的 -class 方法。KVO的實現機理就是將被觀察物件的isa指標指向一箇中間類而不是真實型別。
3.Class
typedef struct objc_class *Class;
Class 其實是指向 objc_class 結構體的指標。objc_class 的資料結構如下：
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;
從 objc_class 可以看到，一個執行時類中關聯了它的父類指標、類名、成員變數、方法、快取以及附屬的協議。
其中objc_ivar_list 和objc_method_list分別是成員變數列表和方法列表：
// 成員變數列表
struct objc_ivar_list {
int ivar_count OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
/* variable length structure */
struct objc_ivar ivar_list[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
} OBJC2_UNAVAILABLE;
// 方法列表
struct objc_method_list {
struct objc_method_list *obsolete OBJC2_UNAVAILABLE;
int method_count OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
/* variable length structure */
struct objc_method method_list[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
}
由此可見，我們可以動態修改 *methodList的值來新增成員方法，這也是Category實現的原理，同樣解釋了Category不能新增屬性的原因。
objc_ivar_list結構體用來儲存成員變數的列表，而objc_ivar則是儲存了單個成員變數的資訊；同理，objc_method_list結構體儲存著方法陣列的列表，而單個方法的資訊則由objc_method結構體儲存。
值得注意的時，objc_class中也有一個isa指標，這說明OC類本身也是一個物件。為了處理類和物件的關係，Runtime 庫建立了一種叫做 Meta Class(元類) 的東西，類物件所屬的類就叫做元類。Meta Class表述了類物件本身所具備的元資料。
我們所熟悉的類方法，就源自於Meta Class。我們可以理解為類方法就是類物件的例項方法。每個類僅有一個類物件，而每個類物件僅有一個與之相關的元類。
當你發出一個類似 [NSObject alloc](類方法) 的訊息時，實際上這個訊息被髮送給了一個類物件(Class Object)，這個類物件必須是一個元類的例項，而這個元類同時也是一個根元類(Root Meta Class)的例項。所有元類的 isa指標最終都指向根元類。
所以當 [NSObject alloc] 這條訊息傳送給類物件的時候，執行時程式碼 objc_msgSend() 會去它元類中查詢能夠響應訊息的方法實現，如果找到了，就會對這個類物件執行方法呼叫。
最後 objc_class中還有一個objc_cache ，快取。
4.Method
Method 代表類中某個方法的型別
typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE;
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;
}
objc_method 儲存了方法名，方法型別和方法實現：
方法名型別為 SEL
方法型別 method_types 是個 char 指標，儲存方法的引數型別和返回值型別
method_imp 指向了方法的實現，本質是一個函式指標
Ivar
Ivar 是表示成員變數的型別。
typedef struct objc_ivar *Ivar;
struct objc_ivar {
char *ivar_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *ivar_type OBJC2_UNAVAILABLE;
int ivar_offset OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}
其中 ivar_offset 是基地址偏移位元組
5.IMP
IMP在objc.h中的定義是：
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);
它就是一個函式指標，這是由編譯器生成的。當你發起一個OC訊息之後，最終它會執行的那段程式碼，就是由這個函式指標指定的。而 IMP這個函式指標就指向了這個方法的實現。
如果得到了執行某個例項某個方法的入口，我們就可以繞開訊息傳遞階段，直接執行方法。
你會發現IMP指向的方法與objc_msgSend函式型別相同，引數都包含id和SEL型別。每個方法名都對應一個SEL型別的方法選擇器，而每個例項物件中的SEL對應的方法實現肯定是唯一的，通過一組id和SEL引數就能確定唯一的方法實現地址。而一個確定的方法也只有唯一的一組id和SEL引數。
6.Cache
Cache 定義如下：
typedef struct objc_cache *Cache
struct objc_cache {
unsigned int mask /* total = mask + 1 */ OBJC2_UNAVAILABLE;
unsigned int occupied OBJC2_UNAVAILABLE;
Method buckets[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
};
Cache為方法呼叫的效能進行優化，每當例項物件接收到一個訊息時，它不會直接在 isa 指標指向的類的方法列表中遍歷查詢能夠響應的方法，因為每次都要查詢效率太低了，而是優先在 Cache中查詢。
Runtime 系統會把被呼叫的方法存到 Cache中，如果一個方法被呼叫，那麼它有可能今後還會被呼叫，下次查詢的時候就會效率更高。就像計算機組成原理中 CPU繞過主存先訪問 Cache 一樣。
7.Property
typedef struct objc_property *Property;
typedef struct objc_property *objc_property_t;//這個更常用
可以通過class_copyPropertyList 和 protocol_copyPropertyList 方法獲取類和協議中的屬性：
objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount)
objc_property_t *protocol_copyPropertyList(Protocol *proto, unsigned int *outCount)
注意：
返回的是屬性列表，列表中每個元素都是一個 objc_property_t 指標
#import <Foundation/Foundation.h>
@interface Person : NSObject
/** 姓名 */
@property (strong, nonatomic) NSString *name;
/** age */
@property (assign, nonatomic) int age;
/** weight */
@property (assign, nonatomic) double weight;
@end
以上是一個 Person 類，有3個屬性。讓我們用上述方法獲取類的執行時屬性。
unsigned int outCount = 0;
objc_property_t *properties = class_copyPropertyList([Person class], &outCount);
NSLog(@"%d", outCount);
for (NSInteger i = 0; i < outCount; i++) {
NSString *name = @(property_getName(properties[i]));
NSString *attributes = @(property_getAttributes(properties[i]));
NSLog(@"%@--------%@", name, attributes);
}
列印結果如下：
test[1525] 3
test[1525] [email protected]"NSString",&,N,V_name
test[1525] age--------Ti,N,V_age
test[1525] weight--------Td,N,V_weight
property_getName 用來查詢屬性的名稱，返回 c 字串。property_getAttributes 函式挖掘屬性的真實名稱和 @encode 型別，返回C字串。
objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name)
objc_property_t protocol_getProperty(Protocol *proto, const char *name, BOOL isRequiredProperty, BOOL isInstanceProperty)
class_getProperty 和 protocol_getProperty 通過給出屬性名在類和協議中獲得屬性的引用。
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