iOS Runtime原理及使用

Posted 2020-10-08 Allence

ios runtime

runtime简介

因为Objc是一门动态语言，所以它总是想办法把一些决定工作从编译连接推迟到运行时。也就是说只有编译器是不够的，还需要一个运行时系统 (runtime system) 来执行编译后的代码。这就是 Objective-C Runtime 系统存在的意义，它是整个Objc运行框架的一块基石。

RunTime简称运行时。OC就是运行时机制，其中最主要的是消息机制。对于C语言，函数的调用在编译的时候会决定调用哪个函数。对于OC的函数，属于动态调用过程，在编译的时候并不能决定真正调用哪个函数，只有在真正运行的时候才会根据函数的名称找到对应的函数来调用。

Runtime基本是用C和汇编写的，可见苹果为了动态系统的高效而作出的努力。你可以在这里下到苹果维护的开源代码。苹果和GNU各自维护一个开源的runtime版本，这两个版本之间都在努力的保持一致。

Runtime相关的头文件

ios的sdk中 usr/include/objc文件夹下面有这样几个文件

都是和运行时相关的头文件，其中主要使用的函数定义在message.h和runtime.h这两个文件中。 在message.h中主要包含了一些向对象发送消息的函数，这是OC对象方法调用的底层实现。

使用时，需要导入文件，导入如：

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

runtime.h是运行时最重要的文件，其中包含了对运行时进行操作的方法。 主要包括：

操作对象的类型的定义

/// An opaque type that represents a method in a class definition. 一个类型，代表着类定义中的一个方法
typedef struct objc_method *Method;

/// An opaque type that represents an instance variable.代表实例(对象)的变量
typedef struct objc_ivar *Ivar;

/// An opaque type that represents a category.代表一个分类
typedef struct objc_category *Category;

/// An opaque type that represents an Objective-C declared property.代表OC声明的属性
typedef struct objc_property *objc_property_t;

// Class代表一个类，它在objc.h中这样定义的  typedef struct objc_class *Class;
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;

这些类型的定义，对一个类进行了完全的分解，将类定义或者对象的每一个部分都抽象为一个类型type，对操作一个类属性和方法非常方便。OBJC2_UNAVAILABLE标记的属性是Ojective-C 2.0不支持的,但实际上可以用响应的函数获取这些属性，例如：如果想要获取Class的name属性，可以按如下方法获取:

Class classPerson = Person.class;
// printf("%s\\n", classPerson->name); //用这种方法已经不能获取name了 因为OBJC2_UNAVAILABLE
const char *cname  = class_getName(classPerson);
printf("%s", cname); // 输出:Person

 

函数的定义

• 对对象进行操作的方法一般以object_开头
• 对类进行操作的方法一般以class_开头
• 对类或对象的方法进行操作的方法一般以method_开头
• 对成员变量进行操作的方法一般以ivar_开头
• 对属性进行操作的方法一般以property_开头开头
• 对协议进行操作的方法一般以protocol_开头

根据以上的函数的前缀 可以大致了解到层级关系。

对于以objc_开头的方法，则是runtime最终的管家，可以获取内存中类的加载信息,类的列表，关联对象和关联属性等操作。

例如：使用runtime对当前的应用中加载的类进行打印，别被吓一跳。

- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
    unsigned int count = 0;
    Class *classes = objc_copyClassList(&count);
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        const char *cname = class_getName(classes[i]);
        printf("%s\\n", cname);
    }
}

 

runtime应用

发送消息

方法调用的本质，就是让对象发送消息。

objc_msgSend,只有对象才能发送消息，因此以objc开头.

使用消息机制前提，必须导入#import <objc/message.h>

消息机制简单使用：

 

     // 创建person对象
    Person *p = [[Person alloc] init];

    // 调用对象方法
    [p eat];

    // 本质：让对象发送消息
    objc_msgSend(p, @selector(eat));

    // 调用类方法的方式：两种
    // 第一种通过类名调用
    [Person eat];
    // 第二种通过类对象调用
    [[Person class] eat];

    // 用类名调用类方法，底层会自动把类名转换成类对象调用
    // 本质：让类对象发送消息
    objc_msgSend([Person class], @selector(eat));

 

我们可以通过clang来查看代码生成的CPP代码。

最终代码,需要把当前代码重新编译,用xcode编译器,clang

clang -rewrite-objc main.m 查看最终生成代码

交换方法

交换方法实现的需求场景：自己创建了一个功能性的方法，在项目中多次被引用，当项目的需求发生改变时，要使用另一种功能代替这个功能，要求是不改变旧的项目(也就是不改变原来方法的实现)。

可以在类的分类中，再写一个新的方法(是符合新的需求的),然后交换两个方法的实现。这样，在不改变项目的代码，而只是增加了新的代码 的情况下，就完成了项目的改进。

交换两个方法的实现一般写在类的load方法里面，因为load方法会在程序运行前加载一次，而initialize方法会在类或者子类在 第一次使用的时候调用，当有分类的时候会调用多次。

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    // 需求：给imageNamed方法提供功能，每次加载图片就判断下图片是否加载成功。
    // 步骤一：先搞个分类，定义一个能加载图片并且能打印的方法+ (instancetype)imageWithName:(NSString *)name;
    // 步骤二：交换imageNamed和imageWithName的实现，就能调用imageWithName，间接调用imageWithName的实现。
    UIImage *image = [UIImage imageNamed:@"123"];
}

@end

@implementation UIImage (Image)
// 加载分类到内存的时候调用
+ (void)load
{
    // 交换方法

    // 获取imageWithName方法地址
    Method imageWithName = class_getClassMethod(self, @selector(imageWithName:));

    // 获取imageWithName方法地址
    Method imageName = class_getClassMethod(self, @selector(imageNamed:));

    // 交换方法地址，相当于交换实现方式
    method_exchangeImplementations(imageWithName, imageName);
}

// 不能在分类中重写系统方法imageNamed，因为会把系统的功能给覆盖掉，而且分类中不能调用super.

// 既能加载图片又能打印
+ (instancetype)imageWithName:(NSString *)name
{
    // 这里调用imageWithName，相当于调用imageName
    UIImage *image = [self imageWithName:name];

    if (image == nil) {
        NSLog(@"加载空的图片");
    }

    return image;
}

@end

 

类\\对象的关联对象

关联对象不是为类\\对象添加属性或者成员变量(因为在设置关联后也无法通过ivarList或者propertyList取得) ，而是为类添加一个相关的对象，通常用于存储类信息，例如存储类的属性列表数组，为将来字典转模型的方便。 

使用方式一：给分类添加属性

 

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.

    // 给系统NSObject类动态添加属性name
    NSObject *objc = [[NSObject alloc] init];
    objc.name = @"小码哥";
    NSLog(@"%@",objc.name);
}

@end


// 定义关联的key
static const char *key = "name";

@implementation NSObject (Property)

- (NSString *)name
{
    // 根据关联的key，获取关联的值。
    return objc_getAssociatedObject(self, key);
}

- (void)setName:(NSString *)name
{
    // 第一个参数：给哪个对象添加关联
    // 第二个参数：关联的key，通过这个key获取
    // 第三个参数：关联的value
    // 第四个参数:关联的策略
    objc_setAssociatedObject(self, key, name, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}

@end

 

使用方式二：给对象添加关联对象。

比如alertView,一般传值，使用的是alertView的tag属性。我们想把更多的参数传给alertView代理：

/**
 *  删除点击
 *  @param recId        购物车ID
 */
- (void)shopCartCell:(BSShopCartCell *)shopCartCell didDeleteClickedAtRecId:(NSString *)recId
{
    UIAlertView *alert = [[UIAlertView alloc] initWithTitle:@"" message:@"确认要删除这个宝贝" delegate:self cancelButtonTitle:@"取消" otherButtonTitles:@"确定", nil];
    
    // 传递多参数
    objc_setAssociatedObject(alert, "suppliers_id", @"1", OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
    objc_setAssociatedObject(alert, "warehouse_id", @"2", OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
    
    alert.tag = [recId intValue];
    [alert show];
}

/**
 *  确定删除操作
 */
- (void)alertView:(UIAlertView *)alertView clickedButtonAtIndex:(NSInteger)buttonIndex {
    if (buttonIndex == 1) {
        
        NSString *warehouse_id = objc_getAssociatedObject(alertView, "warehouse_id");
        NSString *suppliers_id = objc_getAssociatedObject(alertView, "suppliers_id");
        NSString *recId = [NSString stringWithFormat:@"%ld",(long)alertView.tag];
    }
}

 

objc_setAssociatedObject方法的参数解释:

1. 第一个参数id object, 当前对象
2. 第二个参数const void *key, 关联的key，是c字符串 
3. 第三个参数id value, 被关联的对象的值 
4. 第四个参数objc_AssociationPolicy policy关联引用的规则

 动态添加方法

开发使用场景：如果一个类方法非常多，加载类到内存的时候也比较耗费资源，需要给每个方法生成映射表，可以使用动态给某个类，添加方法解决。

经典面试题：有没有使用performSelector，其实主要想问你有没有动态添加过方法。

简单使用:

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.

    Person *p = [[Person alloc] init];

    // 默认person，没有实现eat方法，可以通过performSelector调用，但是会报错。
    // 动态添加方法就不会报错
    [p performSelector:@selector(eat)];
}

@end


@implementation Person
// void(*)()
// 默认方法都有两个隐式参数，
void eat(id self,SEL sel)
{
    NSLog(@"%@ %@",self,NSStringFromSelector(sel));
}

// 当一个对象调用未实现的方法，会调用这个方法处理,并且会把对应的方法列表传过来.
// 刚好可以用来判断，未实现的方法是不是我们想要动态添加的方法
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
    if (sel == @selector(eat)) {
        // 动态添加eat方法

        // 第一个参数：给哪个类添加方法
        // 第二个参数：添加方法的方法编号
        // 第三个参数：添加方法的函数实现（函数地址）
        // 第四个参数：函数的类型，(返回值+参数类型) v:void @:对象->self :表示SEL->_cmd
        class_addMethod(self, @selector(eat), eat, "v@:");
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
@end

 

字典转模型KVC实现

KVC：把字典中所有值给模型的属性赋值。这个是要求字典中的Key,必须要在模型里能找到相应的值，如果找不到就会报错。基本原理如：

// KVC原理:
    // 1.遍历字典中所有key,去模型中查找有没有对应的属性
    [dict enumerateKeysAndObjectsUsingBlock:^(id  _Nonnull key, id  _Nonnull value, BOOL * _Nonnull stop) {
        
        // 2.去模型中查找有没有对应属性 KVC
        // key:source value:来自即刻笔记
        // [item setValue:@"来自即刻笔记" forKey:@"source"]
        [item setValue:value forKey:key];
    }];

 

但是，在实际开发中，从字典中取值,不一定要全部取出来。因此，我们可以通过重写KVC 中的 forUndefinedKey这个方法，就不会进行报错处理。

// 重写系统方法? 1.想给系统方法添加额外功能 2.不想要系统方法实现
// 系统找不到就会调用这个方法,报错
- (void)setValue:(id)value forUndefinedKey:(NSString *)key
{
    
}

 

另外，我们可以通过runtime的方式去实现。我们把KVC的原理倒过来，通过遍历模型的值，从字典中取值。

// Ivar:成员变量 以下划线开头
// Property:属性
+ (instancetype)modelWithDict:(NSDictionary *)dict
{
    id objc = [[self alloc] init];
    
    // runtime:根据模型中属性,去字典中取出对应的value给模型属性赋值
    // 1.获取模型中所有成员变量 key
    // 获取哪个类的成员变量
    // count:成员变量个数
    unsigned int count = 0;
    // 获取成员变量数组
    Ivar *ivarList = class_copyIvarList(self, &count);
    
    // 遍历所有成员变量
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        // 获取成员变量
        Ivar ivar = ivarList[i];
        
        // 获取成员变量名字
        NSString *ivarName = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
        // 获取成员变量类型
        NSString *ivarType = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getTypeEncoding(ivar)];
        // @\\"User\\" -> User
        ivarType = [ivarType stringByReplacingOccurrencesOfString:@"\\"" withString:@""];
        ivarType = [ivarType stringByReplacingOccurrencesOfString:@"@" withString:@""];
        // 获取key
        NSString *key = [ivarName substringFromIndex:1];
        
        // 去字典中查找对应value
        // key:user  value:NSDictionary
        
        id value = dict[key];
        
        // 二级转换:判断下value是否是字典,如果是,字典转换层对应的模型
        // 并且是自定义对象才需要转换
        if ([value isKindOfClass:[NSDictionary class]] && ![ivarType hasPrefix:@"NS"]) {
            // 字典转换成模型 userDict => User模型
            // 转换成哪个模型

            // 获取类
            Class modelClass = NSClassFromString(ivarType);
            
            value = [modelClass modelWithDict:value];
        }
        
        // 给模型中属性赋值
        if (value) {
            [objc setValue:value forKey:key];
        }
    }
        
    return objc;
}

 

基本的代码就是上面这样。

面试题

说说什么是runtime

1>OC 是一个全动态语言，OC 的一切都是基于 Runtime 实现的
平时编写的OC代码, 在程序运行过程中, 其实最终都是转成了runtime的C语言代码, runtime算是OC的幕后工作者
比如:

OC :
[[Person alloc] init]
runtime :
objc_msgSend(objc_msgSend("Person" , "alloc"), "init")

 

2>runtime是一套比较底层的纯C语言API, 属于1个C语言库, 包含了很多底层的C语言API
3>runtimeAPI的实现是用 C++ 开发的(源码中的实现文件都是mm)，是一套苹果开源的框架