Runtime学习笔记1-－基础概念篇

前言

看了下ReactiveCocoa的源码发现RAC在给系统类添加rac_扩展的时候用到了很多Runtime层面的API，所以打算先从Runtime基础开始学起并纪录下来。由于网上关于Runtime的描述已经很详尽，所以就拾人牙慧，以作学习之用。

概念

Runtime是用C和汇编写的动态库，其将Objective-C跟C紧密结合起来，顾名思义，即“跑的时候“，其作用是：

让我们可以在系统在运行时创建、检查或者修改类、对象和方法等。这区别于我们平时在iOS开发的正常模式（即创建好一堆UI和一堆逻辑然后不管死活的点CMD＋R），所以Runtime赋予了Objective-C很好的动态特性。

通过传递消息找出最终的代码。

在 Runtime 系列 1– 从一个崩溃谈起 作者如是说：

ObjC 是一种面向runtime(运行时)的语言，也就是说，它会尽可能地把代码执行的决策从编译和链接的时候，推迟到运行时。这给程序员写代码带来很大的灵活性，比如说你可以把消息转发给你想要的对象，或者随意交换一个方法的实现之类的。这就要求 runtime 能检测一个对象是否能对一个方法进行响应，然后再把这个方法分发到对应的对象去。我们拿 C 来跟 ObjC 对比一下。在 C 语言里面，一切从 main 函数开始，程序员写代码的时候是自上而下地，一个 C 的结构体或者说类吧，是不能把方法调用转发给其他对象的。但是在oc中，我们可以在运行时把上面的target换成其他对象，非常灵活。

可见其实Runtime就是一个项目最后的决策者，Runtime贯穿整个项目的生命周期。

从 objc_msgSend谈起

我们平时使用方法调用都是如此：

[target MethodName:var1];

其实在Runtime看来，这些都是伪代码。当项目开始编译时，这句代码会编译成如此：

objc_msgSend(target,@selector(MethodName:),var1);

objc_msgSend()是Runtime里面最基础也是最重要的函数。

objc_msgSend函数的原型如下：

id objc_msgSend ( id self, SEL op, ... );

上面的函数里面有两个参数id和SEL，我们分别看看。

id

一个指向类实例的指针：

typedef struct objc_object *id;

那objc_object又是啥呢：

struct objc_object { Class isa; };

objc_object结构体包含一个isa指针，根据isa指针就可以找到对象所属的类。

isa指针不总是指向实例对象所属的类，不能依靠它来确定类型，而是应该用class方法来确定实例对象的类。因为KVO的实现机理就是将被观察对象的isa指针指向一个中间类而不是真实的类，这是一种叫做 isa-swizzling 的技术。

SEL

selector在Objc中的表示类型（Swift中是Selector类）。selector是方法选择器，可以理解为区分方法的 ID，而这个 ID 的数据结构是SEL:

typedef struct objc_selector *SEL;

其实它就是个映射到方法的C字符串，你可以用 Objc 编译器命令@selector()或者 Runtime 系统的sel_registerName函数来获得一个SEL类型的方法选择器。

可以根据SEL(方法编号)去类方法列表找到对应的实例方法的实现，或者去元类方法列表找到对应的类方法的实现.

isa

所有的对象都是由其对应的类实例化而来。在Objective-C中，我们用到的几乎所有类都是NSObject类的子类。而NSObject的类定义格式如下：

@interface NSObject <NSObject> {
Class isa;
}

这个Class为何物？在objc.h中我们发现其仅仅是一个结构(struct)指针的typedef定义:

typedef struct objc_class *Class;

同样的，objcclass又是什么呢？在Objective-C2.0中，objcclass的定义如下：

struct objc_class {
Class isa;
}

我们知道isa指针指向的是该对象所属的类，对于实例对象的isa指针我们知道是指向其所属的类，但是实例对象所属的类的isa指针又指向谁呢？这里我们先记住一点：类本身也是对象！！

那么既然类本身也是对象，那么他所属的类是谁？答案就是：元类！！

所以实例对象所属的类的isa指针指向的是元类。

类

1. 类对象的实质

类对象是由编译器创建的，即在编译时所谓的类，就是指类对象（官方文档中是这样说的： The class object is the compiled version of the class）。

任何直接或间接继承了NSObject的类，它的实例对象(instance objec)中都有一个isa指针，指向它的类对象(class object)。这个类对象(class object)中存储了关于这个实例对象(instace object)所属的类的定义的一切：包括变量，方法，遵守的协议等等。

因此，类对象能访问所有关于这个类的信息，利用这些信息可以产生一个新的实例，但是类对象不能访问任何实例对象的内容。当你调用一个 “类方法” 例如 [NSObject alloc],你事实上是发送了一个消息给他的类对象。

2. 类对象和实例对象的区别

尽管类对象保留了一个类实例的原型，但它并不是实例本身。它没有自己的实例变量，也不能执行那些类的实例的方法（只有实例对象才可以执行实例方法）。然而，类的定义能包含那些特意为类对象准备的方法–类方法（ 而不是的实例方法）。类对象从父类那里继承类方法，就像实例从父类那里继承实例方法一样。

类对象是一个功能完整的对象，所以也能被动态识别（dynamically typed），接收消息，从其他类继承方法。特殊之处在于它们是由编译器创建的，缺少它们自己的数据结构(实例变量），只是在运行时产生实例的代理。

元类

实际上，类对象是元类对象的一个实例！！

元类描述了 一个类对象，就像类对象描述了普通对象一样。不同的是元类的方法列表是类方法的集合，由类对象的选择器来响应。当向一个类发送消息时，objc_msgSend会通过类对象的isa指针定位到元类，并检查元类的方法列表（包括父类）来决定调用哪个方法。元类代替了类对象描述了类方法，就像类对象代替了实例对象描述了实例化方法。

很显然，元类也是对象，也应该是其他类的实例，实际上元类是根元类(root class’s metaclass)的实例,而根元类是其自身的实例，即根元类的isa指针指向自身。

类的superclass指向其父类，而元类的superclass则指向父类的元类。元类的super class链与类的super class链平行，所以类方法的继承与实例方法的继承也是并行的。而根元类(root class’s metaclass)的super_class指向根类(root class)，这样，整个指针链就链接起来了！！

一图以蔽之（盗图）：

消息转发步骤

消息转发步骤可以理解为objc_msgSend的实现原理。

检测selector是否要被忽略。

检测这个 target 是不是 nil 对象。ObjC 的特性是允许对一个 nil 对象执行任何一个方法不会 Crash，因为会被忽略掉。

如果上面两个都过了，那就开始查找这个类的 IMP，先从 cache 里面找，完了找得到就跳到对应的函数去执行。

如果 cache 找不到就找一下方法分发表。

如果分发表找不到就到超类的分发表去找，一直找，直到找到NSObject类为止。

如果还找不到就要开始进入动态方法解析。

PS:这里说的分发表其实就是Class中的方法列表，它将方法选择器和方法实现地址联系起来。

一图以蔽之（盗图）：

我的理解

Runtime实际上作用跟Java中的反射相类似。

综上所述，类对象(class object)中包含了类的实例变量，实例方法的定义，而元类对象(metaclass object)中包括了类的类方法(也就是C++中的静态方法)的定义。

类对象存的是关于实例对象的信息(变量，实例方法等)，而元类对象(metaclass object)中存储的是关于类的信息(类的版本，名字，类方法等)。

类对象(class object)和元类对象(metaclass object)的定义都是objc_class结构，其不同仅仅是在用途上，比如其中的方法列表在类对象(instance object)中保存的是实例方法(instance method)，而在元类对象(metaclass object)中则保存的是类方法(class method)

参考资料

objc-runtime源码

Runtime 系列 1– 从一个崩溃谈起

runtime基础篇