runtime基础知识

原文出自：标哥的技术博客

前言

学习

Objective-C

的运行时

Runtime

系统是很有必要的。个人觉得，得之可得天下，失之则失天下。

Objective-C

提供了编译运行时，只要有可能，它都可以动态地运作。这意味着不仅需要编译器，还需要运行时系统执行编译的代码。运行时系统充当

Objective-C

语言的操作系统，有了它才能运作。

运行时系统所提供功能是非常强大的，在实际开发中是经常使用到的。比如，苹果不允许我们给

Category

追加扩展属性，是因为它不会自动生成成员变量，那么我们通过运行时就可以很好的解决这个问题。另外，常见的模型转字典或者字典转模型，对象归档等。后续我们再来学习如何应用，本节只是讲讲理论。

与Runtime交互

Objective-C

程序有有三种与

runtime

系统交互的级别：

通过

Objective-C

源代码

通过

Foundation

库中定义的

NSObject

提供的方法

通过直接调用

runtime

方法

通过Objective-C源代码

在大多数的部分，运行时系统会自动运行并在后台运行。我们使用它只是写源代码并编译源代码。当编译包含

Objective-C

类和方法的代码时，编译器会创建实现了语言动态特性的数据结构和函数调用。该数据结构捕获在类、扩展和协议中所定义的信息。

最重要的

runtime

函数是发消息函数，在编译时，编译器会转换成类似

objc_msgSend

这样的发送消息的函数。因此，我们通过写好源代码，编译器会自动帮助我们编译成

runtime

代码。

通过NSObject提供的方法

在

Cocoa

编程中，大部分的类都继承于

NSObject

，也就是说

NSObject

通常是根类，大部分的类都继承于

NSObject

。有些特殊的情况下，

NSObject

只是提供了它应该要做什么的模板，却没有提供所有必须的代码。

有些

NSObject

提供的方法仅仅是为了查询运动时系统的相关信息，这此方法都可以反查自己。比如

-isKindOfClass:

和

-isMemberOfClass:

都是用于查询在继承体系中的位置。

-respondsToSelector:

指明是否接受特定的消息。

+conformsToProtocol:

指明是否要求实现在指定的协议中声明的方法。

-methodForSelector:

提供方法实现的地址。

通过直接调用runtime函数

runtime

库函数在

usr/include/objc

目录下，我们主要关注是这两个头文件：

#import <objc/runtime.h>
#import <objc/objc.h>

关于如何使用，后续的文章再细细讲解。

消息（Message）

为什么叫消息呢？因为面向对象编程中，对象调用方法叫做发送消息。在编译时，应用的源代码就会被编将对象发送消息转换成

runtime

的

objc_msgSend

函数调用。

在

Objective-C

，消息在运行时并不要求实现。编译器会转换消息表达式：

[receiver message];

在编译时会转换成类似这样的函数调用：

objc_msgSend(receiver, selector);

具体会转换成哪个，我们来看看官方的原话：

When it encounters a method call, the compiler generates a call to one of the
*  functions \c objc_msgSend, \c objc_msgSend_stret, \c objc_msgSendSuper, or \c objc_msgSendSuper_stret.
*  Messages sent to an object’s superclass (using the \c super keyword) are sent using \c objc_msgSendSuper;
*  other messages are sent using \c objc_msgSend. Methods that have data structures as return values
*  are sent using \c objc_msgSendSuper_stret and \c objc_msgSend_stret.

也就是说，我们是通过编译器来自动转换成运行时代码时，它会根据类型自动转换成下面的其它一个函数：

objc_msgSend：其它普通的消息都会通过该函数来发送

objc_msgSend_stret：消息中需要有数据结构作为返回值时，会通过该函数来发送消息并接收返回值

objc_msgSendSuper：与objc_msgSend函数类似，只是它把消息发送给父类实例

objc_msgSendSuper_stret：与objc_msgSend_stret函数类似，只是它把消息发送给父类实例并接收数组结构作为返回值

另外，如果函数返回值是浮点类型，官方说明如下：

* arm:    objc_msgSend_fpret not used
* i386:   objc_msgSend_fpret used for `float`, `double`, `long double`.
* x86-64: objc_msgSend_fpret used for `long double`.
*
* arm:    objc_msgSend_fp2ret not used
* i386:   objc_msgSend_fp2ret not used
* x86-64: objc_msgSend_fp2ret used for `_Complex long double`.

其实这是一个条件编译，我们不用担心是哪种处理器上，我们只需要调用

objc_msgSend_fpret

函数即可。

当消息被发送到实例对象时，它是如何处理的：



我们的根类是

NSObject

，它会一层一层的传递，直接找到要处理该消息的对象，若都没有找到，正常情况下会出现

Unreconized selector ...

这样的崩溃提示了。

Message Forwarding

当发送消息给一个不处理该消息的对象是错误的。然后在宣布错误之前，运行时系统给了接收消息的对象处理消息的第二个机会。

当某对象不处理某消息时，可以通过重写

-forwardInvocation:

方法来提供一个默认的消息响应或者避免出错。当对象中找不到方法实现时，会按照类继承关系一层层往上找。我们看看类继承关系图：



所有元类中的

isa

指针都指向根元类，而根元类的

isa

指针则指向自身。根元类是继承于根类的，与根类的结构体成员一致，都是

objc_class

结构体，不同的是根元类的

isa

指针指向自身，而根类的

isa

指针为

nil

我们再看看消息处理流程：



当对象查询不到相关的方法，消息得不到该对象处理，会启动“消息转发”机制。消息转发还分为几个阶段：先询问

receiver

或者说是它所属的类是否能动态添加方法，以处理当前这个消息，这叫做“动态方法解析”，runtime会通过

+resolveInstanceMethod:

判断能否处理。如果runtime完成动态添加方法的询问之后，

receiver

仍然无法正常响应则Runtime会继续向receiver询问是否有其它对象即其它receiver能处理这条消息，若返回能够处理的对象，Runtime会把消息转给返回的对象，消息转发流程也就结束。若无对象返回，Runtime会把消息有关的全部细节都封装到

NSInvocation

对象中，再给

receiver

最后一次机会，令其设法解决当前还未处理的这条消息。

消息处理越往后，开销也就会越大，因此最好直接在第一步就可以得到消息处理。

我们看看类结构体：

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;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

我们可以看到每个类结构体都会有一个

isa

指针，它是指向元类的。它还有一个父类指针

super_class

，指针父类。包含了类的名称

name

、类的版本信息

version

、类的一些标识信息

info

、实例大小

instance_size

、成员变量地址列表

ivars

、方法地址列表

methodLists

、缓存最近使用的方法地址

cache

、协议列表protocols`。

我们在使用时，经常使用到

Class

，它就是：

typedef struct objc_class *Class;

当类为根类时，它的

super_class

就会是

nil

。普通的

Class

存储的是实例成员，如

-

号方法、属性、成员变量，而

isa

则指向元类，而元类存储的是静态成员，如

+

号方法、

static

成员。

Type Encoding

编码值	含意
c	代表char类型
i	代表int类型
s	代表short类型
l	代表long类型，在64位处理器上也是按照32位处理
q	代表long long类型
C	代表unsigned char类型
I	代表unsigned int类型
S	代表unsigned short类型
L	代表unsigned long类型
Q	代表unsigned long long类型
f	代表float类型
d	代表double类型
B	代表C++中的bool或者C99中的_Bool
v	代表void类型
*	代表char *类型
@	代表对象类型
#	代表类对象 (Class)
:	代表方法selector (SEL)
[array type]	代表array
{name=type…}	代表结构体
(name=type…)	代表union
bnum	A bit field of num bits
^type	A pointer to type
?	An unknown type (among other things, this code is used for function pointers)

我们想要通过运行时处理各种类型，那么我们必须要知道哪种字符代表什么类型。

写在最后

理论知识就写这么多吧，这篇文章只是讲讲一些比较基础的知识点，为后面的学习奠定基础。如果文章中出现有疑问的地方，请在评论中评论，笔者会在第一时间回复您的！

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