iOS底层探索之Runtime:运行时&方法的本质

Posted 2021-07-05 卡卡西Sensei

1. 回顾

在之前的几篇博客里面，已经对OC类的底层结构进行了分析，并对内部主要的成员变量(isa/bits)做了详细的分析。在上两个博客
iOS底层探索之类的结构—cache分析(上)
ios底层探索之类的结构—cache分析(下)

对类中的cache做了比较详细的分析。后面通过断点查看汇编可以发现在insert方法调用流程之前，还有一个cache读取流程，objc_msgSend和 cache_getImp。这就涉及到Runtime的知识点了，之前的内容都是承上启下的，是互相关联的。

2. Runtime

2.1 什么是Runtime

runtime翻译过来称为运行时，与之对应的是编译时。大部分的iOS开发人员，都听过runtime这个词，也知道运行时。但只是停留在表面，只是知道而已，并没有去深入的去探索和分析过。

OC语言是一门动态语言，拥有动态语言的三大特性：动态类型、动态绑定、动态加载。而底层实现就是熟悉又陌生的Runtime。

• 运行时是一种面向对象的编程语言（面向对象编程）的运行环境。运行时表明了在某个时间段内，哪个程序正在运行。运行时是计算机程序运行生命周期内的一个阶段，其它阶段还包括：编译时、链接时和加载时。简单理解就是， 代码跑起来，被装载到内存中的过程。(你的代码保存在磁盘上没装入内存之前是个死家伙，只有跑到内存中才变成活的)。
• 编译时顾名思义就是正在编译的时候。那什么叫编译呢?就是编译器帮你把源代码翻译成机器能识别的二进制代码 。
• (当然只是一般意义上这么说,实际上可能只是翻译成某个中间状态的语言。比如 Java 只有JVM识别的字节码，C#中只有CLR能识别的MSIL。另外还有链接器、汇编器、为了了便于理解我们可以统称为编译器)
• 那编译时就是简单的作一些翻译工作，比如检查老兄你有没有粗心写错啥关键字了。
• 词法分析,语法分析之类的过程。就像个老师检查学生的作文中有没有错别字和病句一样 。
• 如果发现啥错误编译器就告诉你，平时使用Xcode时,点下build那就开始编译。
• 如果下面有errors或者warning信息，那都是编译器检查出来的。这时的错误就叫编译时错误，这个过程中做的类型检查也就叫编译时类型检查，或静态类型检查(所谓静态嘛就是没把真把代码放内存中运行起来,而只是把代码当作文本来扫描下)。
  

2.2 runtime的使用的三种方式

runtime的使用的三种方式，其三种实现方法与编译层和底层的关系如图所示

• 通过OC上层的代码实现，例如 [JPerson hello]

• 通过NSObject方法实现，例如isKindOfClass

• 通过Runtime API底层方法实现，例如class_getInstanceSize
  

图中的compiler就是编译器，就是我们熟悉的LLVM

3. OC方法的本质

在之前的一篇博客iOS开发之结构体底层探索我们知道平时写的OC代码，底层实现其实都是C/C++的代码实现的，再经过编译器LLVM编译，最终转化为机器语言。
通过clang编译的源码，理解了OC对象的本质(结构体)，同样的，我们也可以使用clang命令编译成main.cpp文件，看看方法的本质是什么？

3.1 objc_msgSend

• 编译前

@interface JPPerson : NSObject
@property (nonatomic, readwrite , copy) NSString *personName;
- (void)superTest;
@end

@implementation JPPerson
- (void)superTest {
	NSLog(@"这是父类");
}
@end

@interface JPStudent : JPPerson

@property (nonatomic, readwrite , copy) NSString *studentName;
- (void)test;

@end

@implementation JPStudent
- (void)test {
	NSLog(@"%s",__func__);
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
	@autoreleasepool {
		JPStudent *stu = [[JPStudent alloc]init];
		[stu test];
		[stu superTest];
	}
	return 0;
}

• 编译后

int main(int argc, const char * argv[]) {
 /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
  JPStudent *stu = ((JPStudent *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((JPStudent *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("JPStudent"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
	 
  ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)stu, sel_registerName("test"));
  ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)stu, sel_registerName("superTest"));
 }
 return 0;
}

通过上述代码可以看出，OC的方法调用，底层变成了objc_msgSend，也就是我们熟悉的消息发送

我们可以通过模仿objc_msgSend方法来实现，[stu test]的调用

从控制台的输出可以看到，是一模摸一样样。
由此可以断定 [stu test]等价于objc_msgSend(stu,sel_registerName("test"))

注意：

不能直接调用objc_msgSend，需要导入头文件#import <objc/message.h>

需要将target --> Build Setting -->搜索msg – 将enable strict checking of obc_msgSend calls由YES改为NO，将严厉的检查机制关掉，否则objc_msgSend的参数会报错。

• 未导入#import <objc/message.h>

• 启用 objc_msgSend 调用的严格检查，设置为NO

objc_msgSend(消息的接受者,消息的主体(sel + 参数))

3.2 objc_msgSendSuper

在上面👆在main函数中调用了父类的方法[stu superTest]，clang编译的源码里面发现了objc_msgSendSuper。

这是子类完全调用了父类的方法，那么我们子类要是也有一个superTest方法，但是子类并没有实现这个方法，那么我们看看结果如何？

@interface JPPerson : NSObject
@property (nonatomic, readwrite , copy) NSString *personName;
- (void)superTest;
@end

@implementation JPPerson
- (void)superTest {
	NSLog(@"%s",__func__);
}
@end

@interface JPStudent : JPPerson

@property (nonatomic, readwrite , copy) NSString *studentName;
- (void)test;
- (void)superTest;
@end

@implementation JPStudent
- (void)test {
	NSLog(@"%s",__func__);
}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
	@autoreleasepool {
		JPStudent *stu = [[JPStudent alloc]init];
		[stu test];
		NSLog(@"-------华丽的分割线-----------");
		objc_msgSend(stu,sel_registerName("test"));
		[stu superTest];
	}
	return 0;
}

打印结果

 -[JPStudent test]
 -------华丽的分割线-----------
 -[JPStudent test]
 -[JPPerson superTest]
 
Program ended with exit code: 0

对象的方法调用，实际是父类的实现方法，为了验证这个说法，我们可以尝试通过objc_msgSendSuper实现验证。

objc_msgSendSuper方法中有两个参数（结构体，sel），其结构体类型是objc_super定义的结构体对象，且需要指定receiver 和 super_class两个属性，源码实现定义如下

通过查看苹果的源码，找到了如下方法

OBJC_EXPORT id _Nullable
objc_msgSend(id _Nullable self, SEL _Nonnull op, ...)
    OBJC_AVAILABLE(10.0, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
    
OBJC_EXPORT id _Nullable
objc_msgSendSuper(struct objc_super * _Nonnull super, SEL _Nonnull op, ...)
    OBJC_AVAILABLE(10.0, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

代码改造

int main(int argc, const char * argv[]) {
	@autoreleasepool {
		JPStudent *stu = [[JPStudent alloc]init];
		JPPerson *person = [JPPerson alloc];
		[person superTest];

		struct objc_super jpsuper;
		jpsuper.receiver = stu; //消息的接收者
		jpsuper.super_class = [JPStudent class]; //告诉父类是谁，改成 [JPPerson class]也是一样的
		//消息的接受者还是自己 -> 父类 -> 方法么有找到请你直接找我的父亲
		objc_msgSendSuper(&jpsuper, sel_registerName("superTest"));
	}
	return 0;
}

打印结果

[26066:278406] -[JPPerson superTest]
[26066:278406] -[JPPerson superTest]

4. 总结

• OC调用方法，其实本质是发送消息(objc_msgSend)

• OC方法的调用，首先是在类中查找，如果类中没有找到，会到类的父类中查找。

• 子类调用父类的方法，底层会调用objc_msgSendSuper

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