深入學習runtime
本文的切入點是2014年的一場線下分享會，也就是sunnyxx分享的objc runtime。很慚愧，這麼多年了才完整的看了一下這個分享會視訊。當時他出了一份試題，並戲稱精神病院objc runtime入院考試。
我們今天的這篇文章就是從這個試題中的題目入手，來深入的學習runtime。
原始碼版本objc4-750
第一題
@implementation Son : Father
- (id)init {
self = [super init];
if (self) {
NSLog(@"%@", NSStringFromClass([self class]));
NSLog(@"%@", NSStringFromClass([super class]));
}
return self;
}
@end
第一行的 [self class] 應該是沒有疑問的，肯定是 Son ，問題就出在這個 [super class] 。
大家都知道，我們OC的方法在底層會編譯為一個 objc_msgSend 的方法（訊息傳送）， [self class] 符合這個情況，因為self是類的一個隱藏引數。但是 super 並不是一個引數，它是一個關鍵字，實際上是一個“編譯器標示符”，所以這就有點不一樣了，經查閱資料，在呼叫 [super class] 的時候，runtime呼叫的是 objc_msgSendSuper 方法，而不是 objc_msgSend 。
首先要做的是驗證一下是否是呼叫了 objc_msgSendSuper 。這裡用到了clang這個工具，我們可以把OC的程式碼轉成C/C++。
@implementation Son
- (void)test {
[super class];
}
@end
在終端執行 clang -rewrite-objc Son.m 生成一個Son.cpp檔案。
在這個.cpp檔案的底部我們可以找到這麼一部分程式碼
// @implementation Son
static void _I_Son_test(Son * self, SEL _cmd) {
((Class (*)(__rw_objc_super *, SEL))(void *)objc_msgSendSuper)((__rw_objc_super){(id)self, (id)class_getSuperclass(objc_getClass("Son"))}, sel_registerName("class"));
}
// @end
看起來亂七八糟，有很多強制型別轉換的程式碼，不用理它，我們只要看到了我們想要的 objc_msgSendSuper 就好。
去原始碼中看一下這個方法（具體實現好像是彙編，看不懂）
OBJC_EXPORT void objc_msgSendSuper(void /* struct objc_super *super, SEL op, ... */ ) OBJC_AVAILABLE(10.0, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
可以看出來這個方法第一個引數是一個 objc_super 型別的結構體，第二個是一個我們常見的SEL，後面的...代表還有擴充套件引數。
再看一下這個 objc_super 結構體。
/// Specifies the superclass of an instance.
struct objc_super {
/// Specifies an instance of a class.
__unsafe_unretained _Nonnull id receiver;
/// Specifies the particular superclass of the instance to message.
#if !defined(__cplusplus)&&!__OBJC2__
/* For compatibility with old objc-runtime.h header為了相容老的 */
__unsafe_unretained _Nonnull Class class;
#else
__unsafe_unretained _Nonnull Class super_class;
#endif
/* super_class is the first class to search */
};
第一個引數是接收訊息的receiver，第二個是super_class（見名知意~ :laughing:）。我們和上面提到的.cpp中的程式碼對應一下就會發現重點了， receiver是self 。
所以，這個 [super class] 的工作原理是，從 objc_super 結構體的 super_class 指向類的方法列表開始查詢 class 方法，找到這個方法之後使用 receiver 來呼叫。
所以，呼叫 class 方法的其實還是 self ，結果也就是列印 Son 。
第二題
下面程式碼的結果？
BOOL res1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]]; BOOL res2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]]; BOOL res3 = [(id)[Sark class] isKindOfClass:[Sark class]]; BOOL res4 = [(id)[Sark class] isMemberOfClass:[Sark class]];
對於這個問題我們就要從OC類的結構開始說起了。
我們都應該有所瞭解，每一個Objective-c的物件底層都是一個C語言的結構體，在之前老的原始碼中體現出，所有物件都包含一個 isa 型別的指標，在新的原始碼中已經不是這樣了，用一個結構體 isa_t 代替了 isa 。這個 isa_t 結構體包含了當前物件指向的類的資訊。
我們來看看當前的類的結構，首先從我們的祖宗類NSObject開始吧。
@interface NSObject <NSObject> {
Class isaOBJC_ISA_AVAILABILITY;
}
我們的NSObject類有一個Class型別的變數isa，通過原始碼我們可以瞭解到這個Class到底是什麼
typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
}
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache;// formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits;// class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
}
上面的程式碼是我從原始碼中複製拼到一起來的。可以看出來，Class就是是一個objc_class結構體，objc_class中有四個成員變數 Class superclass ， cache_t cache ， class_data_bits_t bits ，和從 objc_object 中繼承過來的 isa_t isa 。
當Objc為一個物件分配記憶體，初始化例項變數後，在這些例項變數的結構體中第一個就是isa。
而且從上面的objc_class的結構可以看出來，不僅僅是例項會包含一個isa結構體，所有的類也會有這個isa。
所以說，我們可以得出這樣一個結論：Objective-c中的類也是一個物件。
那現在就有了一個新的問題，類的isa結構體中儲存的是什麼？這裡就要引入一個 元類 的概念。
知識補充：
在Objective-c中，每個物件能執行的方法並沒有存在這個物件中，因為如果每一個物件都單獨儲存可執行的方法，那對記憶體來說是一個很大的浪費，所以說每個物件可執行的方法，也就是我們說的一個類的例項方法，都儲存在這個類的 objc_class 結構體中的 class_data_bits_t 結構體裡面。在執行方法是，物件通過自己的isa找到對應的類，然後在 class_data_bits_t 中查詢方法實現。
關於方法的結構，可以看這篇部落格來理解一些。（ 跳轉連結 ）
引入元類就是來保證了例項方法和類方法查詢呼叫機制的一致性。
所以讓一個類的isa指向他的元類，這樣的話，物件呼叫例項方法可以通過isa找到對應的類，然後查詢方法的實現並呼叫，在呼叫類方法的時候，通過類的isa找到對應的元類，在元類裡完成類方法的查詢和呼叫。
下面這種圖也是在網上很常見的了，不需要過多解釋，大家看一下記住就行了。
看到這裡我們就要回到我們的題目上了。首先呢，還是要去看一下這個原始碼中 isKindOfClass: 和 isMemberOfClass: 的實現了。
isKindOfClass
先看 isKindOfClass 吧，原始碼中提供了一個類方法一個例項方法。
+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
for (Class tcls = object_getClass((id)self); tcls; tcls = tcls->superclass) {
if (tcls == cls) return YES;
}
return NO;
}
- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->superclass) {
if (tcls == cls) return YES;
}
return NO;
}
總體的邏輯都是一樣的，都是先宣告一個Class型別的tcls，然後把這個tcls跟cls比較，看是否相等，如果不相等則迴圈tcls的各級superclass來進行比較，直到為tcls為nil停止迴圈。
不同的地方就是類方法初始的tcls是 object_getClass((id)self) ，例項方法的是 [self class] 。
object_getClass((id)self) 其實是返回了這個self的isa對應的結構，因為這個方法是在類方法中呼叫的，self則代表這個類，那 object_getClass((id)self) 返回的也應該是這個類的元類了。
其實在 -isKindOfClass 這個例項方法中，呼叫方法的是一個物件，tcls初始等於 [self class] ，也就是對相對應的類。我們可以看出來，在例項方法中這個tcls初始的值也是方法呼叫者的isa對應的結構，跟類方法中邏輯是一致的。
回到我們的題目中，
BOOL res1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];
[NSObject class] 也就是NSObject類呼叫這個 isKindOfClass: 方法（類方法），方法的引數也是NSObject的類。
在第一次迴圈中，tcls對應的應該是NSObject的isa指向的，也就是NSObject的元類，它跟NSObject類不相等。第二次迴圈，tcls取自己的superclass繼續比較，我們上面的那個圖，大家可以看一下，NSObject的元類的父類就是NSObject這個類本身，在與NSObject比較結果是相等。所以res1為YES。
BOOL res3 = [(id)[Sark class] isKindOfClass:[Sark class]];
跟上面一樣來分析，在第一次迴圈中，tcls對應的應該是Sark的isa指向的，也就是Sark的元類，跟Sark的類相比，肯定是不相等。第二次迴圈，tcls取superclass，從圖中可以看出，Sark元類的父類是NSObject的元類，跟Sark的類相比，肯定也是不相等。第三次迴圈，NSObject元類的父類是NSObject類，也不相等。再取superclass，NSObject的superclass為nil，迴圈結束，返回NO，所以res3是NO。
isMemberOfClass
+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
return object_getClass((id)self) == cls;
}
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
return [self class] == cls;
}
有了上面isKindOfClass邏輯分析的基礎，isMemberOfClass的邏輯我們應該很清楚，就是使用方法呼叫者的isa對應的結構和傳入的cls引數比較。
BOOL res2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]]; BOOL res4 = [(id)[Sark class] isMemberOfClass:[Sark class]];
NSObject類的isa對應的是NSObject的元類，和NSObject類相比不相等，所以res2為NO。
Sark類的isa對應的是Sark的元類，和Sark類相比也是不相等，所以，res4也是NO。
第三題
下面的程式碼會？Compile Error / Runtime Crash / NSLog…?
@interface NSObject (Sark)
+ (void)foo;
@end
@implementation NSObject (Sark)
- (void)foo {
NSLog(@"IMP: -[NSObject (Sark) foo]");
}
@end
// 測試程式碼
[NSObject foo];
[[NSObject new] foo];
[[NSObject new] foo]; 這一個程式碼應該是毫無疑問會呼叫到 -foo 方法。問題就在這個 [NSObject foo] ，因為在我們的認識中 [NSObject foo] 是呼叫的類方法，實現的是例項方法，應該不能呼叫到。
其實這個題的考點跟第二個題差不多，我們已經知道了，一個類的例項方法儲存在類中，類方法儲存在這個類的元類。所以NSObject在呼叫foo這個方法是，會先去NSObject的元類中找這個方法，沒有找到，那就要去父類中繼續查詢。上面圖已經給出了，NSObject的元類的父類是NSObject類，所以在NSObject中查詢方法，找到方法之後執行列印。
第四題
下面的程式碼會？Compile Error / Runtime Crash / NSLog…?
@interface Sark : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end
@implementation Sark
- (void)speak {
NSLog(@"my name's %@", self.name);
}
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
id cls = [Sark class];
void *obj = &cls;
[(__bridge id)obj speak];
}
@end
這裡我們先上結果：
my name's <ViewController: 0x7f9454c1c680>
不管地址是多少，列印的總是ViewController。
我們先想一下為什麼可以成功的呼叫speak？
id cls = [Sark class]; 建立了一個Sark的class。 void *obj = &cls; 建立一個obj指標指向了cls的地址。最後使用 (__bridge id)obj 把這個obj指標轉成一個oc的物件，用物件來呼叫speak，所以可以呼叫成功。
我們在方法中輸出的是 self.name ，為什麼會打印出來ViewController？
經過查閱資料得知，在呼叫self.name的時候，本質上是self指標在記憶體向高位地址偏移一個指標。（這個還得以後深入研究）
為了驗證一下查到的這個結論，我改寫了一下 speak 方法中的程式碼如下。
- (void)speak {
unsigned int count = 0;
Ivar * ivars = class_copyIvarList([self class], &count);
for (int i = 0; i < count; i ++) {
Ivar ivar = ivars[i];
ptrdiff_t offSet = ivar_getOffset(ivar);
const char * n = ivar_getName(ivar);
NSLog(@"%@-----%ld",[NSString stringWithUTF8String:n],offSet);
}
NSLog(@"my name's %@", self.name);
}
取到類的各個變數，然後打印出他的偏移。輸出結構如下：
_name-----8
偏移了一個指標。
那為什麼打印出來了ViewController的地址，我們就要研究各個變數的記憶體地址位置關係了。
在 iewDidLoad 中變數的壓棧順序如下所示：
第一個引數self和第二個引數_cmd是隱藏引數，第三和第四個引數是執行 [super viewDidLoad] 之後進棧的，之前第一題的時候我們有了解過，super呼叫的方法在底層編譯之後會有一個 objc_super 型別的結構體。在結構體中有receiver和super_class兩個變數，receiver就是self。
我在網上查過很多的資料，都是super_class比receiver(self)先入棧，不太懂為什麼是super_class先入。
最後是生成的obj進棧。
所以在列印self.name的時候，是obj的指標向高位偏移了一個指標，也就是self，所以打印出來的是ViewController的指標。
參考
https://github.com/draveness/...
http://blog.sunnyxx.com/2014/...