JSPatch实现原理详解：让JS调用/替换任意OC方法

JSPatch以小巧的体积做到了让JS调用/替换任意OC方法，让iOS APP具备热更新的能力，在实现
JSPatch 过程中遇到过很多困难也踩过很多坑，有些还是挺值得分享的。本篇文章从基础原理、方法调用和方法替换三块内容介绍整个 JSPatch 的实现原理，并把实现过程中的想法和碰到的坑也尽可能记录下来。

基础原理

能做到通过JS调用和改写OC方法最根本的原因是 Objective-C 是动态语言，OC上所有方法的调用/类的生成都通过 Objective-C Runtime 在运行时进行，我们可以通过类名/方法名反射得到相应的类和方法：

也可以替换某个类的方法为新的实现：

还可以新注册一个类，为类添加方法：

对于 Objective-C 对象模型和动态消息发送的原理已有很多文章阐述得很详细，例如这篇，这里就不详细阐述了。理论上你可以在运行时通过类名/方法名调用到任何OC方法，替换任何类的实现以及新增任意类。所以
JSPatch 的原理就是：JS传递字符串给OC，OC通过 Runtime 接口调用和替换OC方法。这是最基础的原理，实际实现过程还有很多怪要打，接下来看看具体是怎样实现的。

方法调用

引入JSPatch后，可以通过以上JS代码创建了一个 UIView 实例，并设置背景颜色和透明度，涵盖了require引入类，JS调用接口，消息传递，对象持有和转换，参数转换这五个方面，接下来逐一看看具体实现。

1.require

调用 require(‘UIView’) 后，就可以直接使用 UIView 这个变量去调用相应的类方法了，require 做的事很简单，就是在JS全局作用域上创建一个同名变量，变量指向一个对象，对象属性__isCls表明这是一个 Class，__clsName保存类名，在调用方法时会用到这两个属性。

所以调用require(‘UIView’)后，就在全局作用域生成了 UIView 这个变量，指向一个这样一个对象：

2.JS接口

接下来看看 UIView.alloc() 是怎样调用的。

旧实现

对于这个调用的实现，一开始我的想法是，根据JS特性，若要让 UIView.alloc() 这句调用不出错，唯一的方法就是给 UIView 这个对象添加 alloc 方法，不然是不可能调用成功的，JS对于调用没定义的属性/变量，只会马上抛出异常，而不像OC/Lua/ruby那样会有转发机制。所以做了一个复杂的事，就是在require生成类对象时，把类名传入OC，OC通过 Runtime 方法找出这个类所有的方法返回给JS，JS类对象为每个方法名都生成一个函数，函数内容就是拿着方法名去OC调用相应方法。生成的 UIView
对象大致是这样的：

实际上不仅要遍历当前类的所有方法，还要循环找父类的方法直到顶层，整个继承链上的所有方法都要加到JS对象上，一个类就有几百个方法，这样把方法全部加到JS对象上，碰到了挺严重的问题，引入几个类就内存暴涨，无法使用。后来为了优化内存问题还在JS搞了继承关系，不把继承链上所有方法都添加到一个JS对象，避免像基类 NSObject 的几百个方法反复添加在每个JS对象上，每个方法只存在一份，JS对象复制了OC对象的继承关系，找方法时沿着继承链往上找，结果内存消耗是小了一些，但还是大到难以接受。

新实现

当时继续苦苦寻找解决方案，若按JS语法，这是唯一的方法，但若不按JS语法呢？突然脑洞开了下，CoffieScript/JSX都可以用JS实现一个解释器实现自己的语法，我也可以通过类似的方式做到，再进一步想到其实我想要的效果很简单，就是调用一个不存在方法时，能转发到一个指定函数去执行，就能解决一切问题了，这其实可以用简单的字符串替换，把JS脚本里的方法调用都替换掉。最后的解决方案是，在OC执行JS脚本前，通过正则把所有方法调用都改成调用 __c() 函数，再执行这个JS脚本，做到了类似OC/Lua/Ruby等的消息转发机制：

给JS对象基类 Object 的 prototype 加上 __c 成员，这样所有对象都可以调用到 __c，根据当前对象类型判断进行不同操作：

_methodFunc() 就是把相关信息传给OC，OC用 Runtime 接口调用相应方法，返回结果值，这个调用就结束了。

这样做不用去OC遍历对象方法，不用在JS对象保存这些方法，内存消耗直降99%，这一步是做这个项目最爽的时候，用一个非常简单的方法解决了严重的问题，替换之前又复杂效果又差的实现。

3.消息传递

解决了JS接口问题，接下来看看JS和OC是怎样互传消息的。这里用到了 JavaScriptCore 的接口，OC端在启动JSPatch引擎时会创建一个 JSContext 实例，JSContext 是JS代码的执行环境，可以给 JSContext 添加方法，JS就可以直接调用这个方法：

JS通过调用 JSContext 定义的方法把数据传给OC，OC通过返回值传会给JS。调用这种方法，它的参数/返回值 JavaScriptCore 都会自动转换，OC里的 NSArray, NSDictionary, NSString, NSNumber, NSBlock 会分别转为JS端的数组/对象/字符串/数字/函数类型。上述 _methodFunc() 方法就是这样把要调用的类名和方法名传递给OC的。

4.对象持有/转换

UIView.alloc() 通过上述消息传递后会到OC执行 [UIView alloc]，并返回一个UIView实例对象给JS，这个OC实例对象在JS是怎样表示的呢？怎样可以在JS拿到这个实例对象后可以直接调用它的实例方法 (UIView.alloc().init())？

对于一个自定义id对象，JavaScriptCore 会把这个自定义对象的指针传给JS，这个对象在JS无法使用，但在回传给OC时OC可以找到这个对象。对于这个对象生命周期的管理，按我的理解如果JS有变量引用时，这个OC对象引用计数就加1 ，JS变量的引用释放了就减1，如果OC上没别的持有者，这个OC对象的生命周期就跟着JS走了，会在JS进行垃圾回收时释放。

传回给JS的变量是这个OC对象的指针，如果不经过任何处理，是无法通过这个变量去调用实例方法的。所以在返回对象时，JSPatch 会对这个对象进行封装。

首先，告诉JS这是一个OC对象：

用__isObj表示这是一个OC对象，对象指针也一起返回。接着在JS端会把这个对象转为一个 JSClass 实例：

JS端如果发现返回是一个OC对象，会传入 _toJSObj()，生成一个 JSClass 实例，这个实例保存着OC对象指针，类名等。这个实例就是OC对象在 JSPatch 对应的JS对象，生命周期是一样的。

回到我们第二点说的 JS接口， 这个 JSClass 实例对象同样有 __c 函数，调用这个对象的方法时，同样走到 __c 函数， __c 函数会把JSClass实例对象里的OC对象指针以及要调用的方法名和参数回传给OC，这样OC就可以调用这个对象的实例方法了。

接着看看对象是怎样回传给OC的。上述例子中，view.setBackgroundColor(require(‘UIColor’).grayColor())，这里生成了一个 UIColor 实例对象，并作为参数回传给OC。根据上面说的，这个 UIColor 实例在JS中的表示是一个 JSClass 实例，所以不能直接回传给OC，这里的参数实际上会在 __c 函数进行处理，会把对象的 .__obj 原指针回传给OC。

最后一点，OC对象可能会存在于 NSDictionary / NSArray 等容器里，所以需要遍历容器挑出OC对象进行格式化，OC需要把对象都替换成JS认得的格式，JS要把对象转成 JSClass 实例，JS实例回传给OC时需要把实例转为OC对象指针。所以OC流出数据时都会经过 formatOCObj() 方法处理，JS从OC得到数据时都会经过 _formatOCToJS() 处理，JS传参数给OC时会经过 _formatJSToOC() 处理，图示：



5.类型转换

JS把要调用的类名/方法名/对象传给OC后，OC调用类/对象相应的方法是通过 NSInvocation 实现，要能顺利调用到方法并取得返回值，要做两件事：

1.取得要调用的OC方法各参数类型，把JS传来的对象转为要求的类型进行调用。

2.根据返回值类型取出返回值，包装为对象传回给JS。

例如开头例子的 view.setAlpha(0.5)， JS传递给OC的是一个 NSNumber，OC需要通过要调用OC方法的 NSMethodSignature 得知这里参数要的是一个 float 类型值，于是把NSNumber转为float值再作为参数进行OC方法调用。这里主要处理了 int/float/bool 等数值类型，并对 CGRect/CGRange 等类型进行了特殊转换处理，剩下的就是实现细节了。

方法替换

JSPatch 可以用 defineClass 接口任意替换一个类的方法，方法替换的实现过程也是颇为曲折，一开始是用 va_list 的方式获取参数，结果发现 arm64 下不可用，只能转而用另一种hack方式绕道实现。另外在给类新增方法、实现property、支持self/super关键字上也费了些功夫，下面逐个说明。

基础原理

OC上，每个类都是这样一个结构体：

其中 methodList 方法链表里存储的是Method类型：

Method 保存了一个方法的全部信息，包括SEL方法名，type各参数和返回值类型，IMP该方法具体实现的函数指针。

通过 Selector 调用方法时，会从 methodList 链表里找到对应Method进行调用，这个 methodList 上的的元素是可以动态替换的，可以把某个 Selector 对应的函数指针IMP替换成新的，也可以拿到已有的某个 Selector 对应的函数指针IMP，让另一个 Selector 跟它对应，Runtime 提供了一些接口做这些事，以替换 UIViewController 的 -viewDidLoad: 方法为例：

这样就把 UIViewController 的 -viewDidLoad 方法给替换成我们自定义的方法，APP里调用 UIViewController 的 viewDidLoad 方法都会去到上述 viewDidLoadIMP 函数里，在这个新的IMP函数里调用JS传进来的方法，就实现了替换 -viewDidLoad 方法为JS代码里的实现，同时为 UIViewController 新增了个方法 -ORIGViewDidLoad 指向原来 viewDidLoad 的IMP，JS可以通过这个方法调用到原来的实现。

方法替换就这样很简单的实现了，但这么简单的前提是，这个方法没有参数。如果这个方法有参数，怎样把参数值传给我们新的IMP函数呢？例如 UIViewController 的 -viewDidAppear: 方法，调用者会传一个Bool值，我们需要在自己实现的IMP（上述的viewDidLoadIMP）上拿到这个值，怎样能拿到？如果只是针对一个方法写IMP，是可以直接拿到这个参数值的：

但我们要的是实现一个通用的IMP，任意方法任意参数都可以通过这个IMP中转，拿到方法的所有参数回调JS的实现。

va_list实现(32位)

最初我是用可变参数va_list实现：

这样无论方法参数是什么，有多少个，都可以通过 va_list 的一组方法一个个取出来，组成NSArray在调用JS方法时传回。很完美地解决了参数的问题，一直运行正常，直到我跑在arm64的机子上测试，一调用就crash。查了资料，才发现arm64下 va_list 的结构改变了，导致无法上述这样取参数。详见这篇文章。

ForwardInvocation实现(64位)

后来找到另一种非常hack的方法解决参数获取的问题，利用了OC消息转发机制。

当调用一个 NSObject 对象不存在的方法时，并不会马上抛出异常，而是会经过多层转发，层层调用对象的 -resolveInstanceMethod:, -forwardingTargetForSelector:, -methodSignatureForSelector:, -forwardInvocation: 等方法，这篇文章说得比较清楚，其中最后
-forwardInvocation: 是会有一个 NSInvocation 对象，这个 NSInvocation 对象保存了这个方法调用的所有信息，包括 Selector 名，参数和返回值类型，最重要的是有所有参数值，可以从这个 NSInvocation 对象里拿到调用的所有参数值。我们可以想办法让每个需要被JS替换的方法调用最后都调到 -forwardInvocation:，就可以解决无法拿到参数值的问题了。

具体实现，以替换 UIViewController 的 -viewWillAppear: 方法为例：

把UIViewController的 -viewWillAppear: 方法通过 class_replaceMethod() 接口指向一个不存在的IMP: class_getMethodImplementation(cls, @selector(__JPNONImplementSelector))，这样调用这个方法时就会走到 -forwardInvocation:。

为 UIViewController 添加 -ORIGviewWillAppear: 和 -_JPviewWillAppear: 两个方法，前者指向原来的IMP实现，后者是新的实现，稍后会在这个实现里回调JS函数。

改写 UIViewController 的 -forwardInvocation: 方法为自定义实现。一旦OC里调用 UIViewController 的 -viewWillAppear: 方法，经过上面的处理会把这个调用转发到 -forwardInvocation: ，这时已经组装好了一个 NSInvocation，包含了这个调用的参数。在这里把参数从 NSInvocation 反解出来，带着参数调用上述新增加的方法 -JPviewWillAppear: ，在这个新方法里取到参数传给JS，调用JS的实现函数。整个调用过程就结束了，整个过程图示如下：



最后一个问题，我们把 UIViewController 的 -forwardInvocation: 方法的实现给替换掉了，如果程序里真有用到这个方法对消息进行转发，原来的逻辑怎么办？首先我们在替换 -forwardInvocation: 方法前会新建一个方法 -ORIGforwardInvocation:，保存原来的实现IMP，在新的 -forwardInvocation: 实现里做了个判断，如果转发的方法是我们想改写的，就走我们的逻辑，若不是，就调 -ORIGforwardInvocation: 走原来的流程。

实现过程中还碰到一个坑，就是从 -forwardInvocation: 里的 NSInvocation 对象取参数值时，若参数值是id类型，我们会这样取:

但这样取某些时候会导致莫名其妙的crash，而且不是crash在这个地方，似乎这里的指针取错导致后续的内存错乱，crash在各种地方，这个bug查了我半天才定位到这里，至今不知为什么。后来以这样的方式解决了：

其他就是实现上的细节了，例如需要根据不同的返回值类型生成不同的IMP，要在各处处理参数转换等。

新增方法

在 JSPatch 刚开源时，是不支持为一个类新增方法的，因为觉得能替换原生方法就够了，新的方法纯粹添加在JS对象上，只在JS端跑就行了。另外OC为类新增方法需要知道各个参数和返回值的类型，需要在JS定一种方式把这些类型传给OC才能完成新增方法，比较麻烦。后来挺多人比较关注这个问题，不能新增方法导致 action-target 模式无法用，我也开始想有没有更好的方法实现添加方法。一开始想到，反正新增的方法都是JS在用，不如新增的方法返回值和参数全统一成id类型，这样就不用传类型了，但还是需要知道参数个数，后来跟Lancy聊天时找到了解决方案，JS可以获得函数参数个数，直接封装一下把参数个数一并传给OC就行了。

现在 defineClass 定义的方法会经过JS包装，变成一个包含参数个数和方法实体的数组传给OC，OC会判断如果方法已存在，就执行替换的操作，若不存在，就调用 class_addMethod() 新增一个方法，通过传过来的参数个数和方法实体生成新的 Method，把 Method 的参数和返回值类型都设为id。

这里有个问题，若某个类实现了某protocol，protocol方法里有可选的方法，它的参数不全是id类型，例如 UITableViewDataSource 的一个方法：

若原类没有实现这个方法，在JS里实现了，会走到新增方法的逻辑，每个参数类型都变成id，与这个 protocol 方法不匹配，产生错误。后续会处理 protocol 的问题，若新增的方法是 protocol 实现的方法，会取这个方法的 NSMethodSignature 获得正确的参数类型进行添加。

Property实现

JSPatch 可以通过 -getProp:， -setProp:forKey: 这两个方法给对象添加成员变量。实现上用了运行时关联接口 objc_getAssociatedObject() 和 objc_setAssociatedObject() 模拟，相当于把一个对象跟当前对象 self 关联起来，以后可以通过当前对象 self 找到这个对象，跟成员的效果一样，只是一定得是id对象类型。

本来OC有 class_addIvar() 可以为类添加成员，但必须在类注册之前添加完，注册完成后无法添加，这意味着可以为在JS新增的类添加成员，但不能为OC上已存在的类添加，所以只能用上述方法模拟。

self关键字

JSPatch支持直接在 defineClass 里的实例方法里直接使用 self 关键字，跟OC一样 self 是指当前对象，这个 self 关键字是怎样实现的呢？实际上这个self是个全局变量，在 defineClass 里对实例方法 方法进行了包装，在调用实例方法之前，会把全局变量 self 设为当前对象，调用完后设回空，就可以在执行实例方法的过程中使用 self 变量了。这是一个小小的trick。

super关键字

OC里 super 是一个关键字，无法通过动态方法拿到 super，那么 JSPatch 的super是怎么实现的？实际上调用 super 的方法，OC做的事是调用父类的某个方法，并把当前对象当成 self 传入父类方法，我们只要模拟它这个过程就行了。

首先JS端需要告诉OC想调用的是当前对象的 super 方法，做法是调用 self.super时，会返回一个新的 JSClass 实例，这个实例同样保存了OC对象的引用，同时标识 __isSuper=1。

调用方法时，__isSuper 会传给OC，告诉OC要调 super 的方法。OC做的事情是，如果是调用 super 方法，找到 superClass 这个方法的IMP实现，为当前类新增一个方法指向 super 的IMP实现，那么调用这个类的新方法就相当于调用 super 方法。把要调用的方法替换成这个新方法，就完成 super 方法的调用了。

总结

整个 JSPatch 实现原理就大致描述完了，剩下的一些小点，例如GCD接口，block实现，方法名下划线处理等就不细说了，可以直接看代码。JSPatch 还在持续改进中，希望能成为iOS平台动态更新的最佳解决方案，欢迎大家一起建设这个项目，github地址： https://github.com/bang590/JSPatc