iOS-『Runtime』详解基础知识

Posted 2021-09-01 MinggeQingchun

本文用来介绍 ios 开发中『Runtime』相关的基础知识。通过本文，您将了解到：

1. 什么是 Runtime？
2. 消息机制的基本原理
3. Runtime 中的概念解析（objc_msgSend 、Class、Object、Meta Class、Method）
4. Runtime 消息转发
5. 消息发送以及转发机制总结

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1. 什么是 Runtime？

我们都知道，将源代码转换为可执行的程序，通常要经过三个步骤：编译、链接、运行。不同的编译语言，在这三个步骤中所进行的操作又有些不同。

C 语言 作为一门静态类语言，在编译阶段就已经确定了所有变量的数据类型，同时也确定好了要调用的函数，以及函数的实现。

而 Objective-C 语言 是一门动态语言。在编译阶段并不知道变量的具体数据类型，也不知道所真正调用的哪个函数。只有在运行时间才检查变量的数据类型，同时在运行时才会根据函数名查找要调用的具体函数。这样在程序没运行的时候，我们并不知道调用一个方法具体会发生什么。

Objective-C 语言 把一些决定性的工作从编译阶段、链接阶段推迟到 运行时阶段 的机制，使得 Objective-C 变得更加灵活。我们甚至可以在程序运行的时候，动态的去修改一个方法的实现，这也为大为流行的『热更新』提供了可能性。

而实现 Objective-C 语言 运行时机制 的一切基础就是 Runtime。

Runtime 实际上是一个库，这个库使我们可以在程序运行时动态的创建对象、检查对象，修改类和对象的方法。

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2. 消息机制的基本原理

Objective-C 语言 中，对象方法调用都是类似 [receiver selector]; 的形式，其本质就是让对象在运行时发送消息的过程。

我们来看看方法调用 [receiver selector]; 在『编译阶段』和『运行阶段』分别做了什么？

1. 编译阶段：[receiver selector]; 方法被编译器转换为:
   1. objc_msgSend(receiver，selector) （不带参数）
   2. objc_msgSend(recevier，selector，org1，org2，…)（带参数）
2. 运行时阶段：消息接受者 recevier 寻找对应的 selector。
   1. 通过 recevier 的 isa 指针 找到 recevier 的 Class（类）；
   2. 在 Class（类） 的 cache（方法缓存） 的散列表中寻找对应的 IMP（方法实现）；
   3. 如果在 cache（方法缓存） 中没有找到对应的 IMP（方法实现） 的话，就继续在 Class（类） 的 method list（方法列表） 中找对应的 selector，如果找到，填充到 cache（方法缓存） 中，并返回 selector；
   4. 如果在 Class（类） 中没有找到这个 selector，就继续在它的 superClass（父类）中寻找；
   5. 一旦找到对应的 selector，直接执行 recevier 对应 selector 方法实现的 IMP（方法实现）。
   6. 若找不到对应的 selector，消息被转发或者临时向 recevier 添加这个 selector 对应的实现方法，否则就会发生崩溃。

在上述过程中涉及了好几个新的概念：objc_msgSend、isa 指针、Class（类）、IMP（方法实现） 等，下面我们来具体讲解一下各个概念的含义。

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3. Runtime 中的概念解析

3.1 objc_msgSend

所有 Objective-C 方法调用在编译时都会转化为对 C 函数 objc_msgSend 的调用。objc_msgSend(receiver，selector); 是 [receiver selector]; 对应的 C 函数。

3.2 Class（类）

在 objc/runtime.h 中，Class（类） 被定义为指向 objc_class 结构体 的指针，objc_class 结构体 的数据结构如下：

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa;                                          // objc_class 结构体的实例指针

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class;                                 // 指向父类的指针
    const char * _Nonnull name;                                  // 类的名字
    long version;                                                // 类的版本信息，默认为 0
    long info;                                                   // 类的信息，供运行期使用的一些位标识
    long instance_size;                                          // 该类的实例变量大小;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars;                     // 该类的实例变量列表
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists; // 方法定义的列表
    struct objc_cache * _Nonnull cache;                          // 方法缓存
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols;             // 遵守的协议列表
#endif

};

从中可以看出，objc_class 结构体 定义了很多变量：自身的所有实例变量（ivars）、所有方法定义（methodLists）、遵守的协议列表（protocols）等。objc_class 结构体 存放的数据称为 元数据（metadata）。

objc_class 结构体 的第一个成员变量是 isa 指针，isa 指针 保存的是所属类的结构体的实例的指针，这里保存的就是 objc_class 结构体的实例指针，而实例换个名字就是 对象。换句话说，Class（类） 的本质其实就是一个对象，我们称之为 类对象。

3.3 Object（对象）

接下来，我们再来看看 objc/objc.h 中关于 Object（对象） 的定义。
Object（对象）被定义为 objc_object 结构体，其数据结构如下：

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa;       // objc_object 结构体的实例指针
};

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

这里的 id 被定义为一个指向 objc_object 结构体 的指针。从中可以看出 objc_object 结构体 只包含一个 Class 类型的 isa 指针。

换句话说，一个 Object（对象）唯一保存的就是它所属 Class（类） 的地址。当我们对一个对象，进行方法调用时，比如 [receiver selector];，它会通过 objc_object 结构体的 isa 指针 去找对应的 object_class 结构体，然后在 object_class 结构体 的 methodLists（方法列表） 中找到我们调用的方法，然后执行。

3.4 Meta Class（元类）

从上边我们看出，对象（objc_object 结构体） 的 isa 指针 指向的是对应的 类对象（object_class 结构体）。那么 类对象（object_class 结构体）的 isa 指针 又指向什么呢？

object_class 结构体 的 isa 指针 实际上指向的的是 类对象 自身的 Meta Class（元类）。

那么什么是 Meta Class（元类）？

Meta Class（元类） 就是一个类对象所属的 类。一个对象所属的类叫做 类对象，而一个类对象所属的类就叫做 元类。

Runtime 中把类对象所属类型就叫做 Meta Class（元类），用于描述类对象本身所具有的特征，而在元类的 methodLists 中，保存了类的方法链表，即所谓的「类方法」。并且类对象中的 isa 指针 指向的就是元类。每个类对象有且仅有一个与之相关的元类。

在 2. 消息机制的基本原理 中我们讲解了 对象方法的调用过程，我们是通过对象的 isa 指针 找到 对应的 Class（类）；然后在 Class（类） 的 method list（方法列表） 中找对应的 selector 。

而 类方法的调用过程 和对象方法调用差不多，流程如下：

1. 通过类对象 isa 指针 找到所属的 Meta Class（元类）；
2. 在 Meta Class（元类） 的 method list（方法列表） 中找到对应的 selector;
3. 执行对应的 selector。

下面看一个示例：

NSString *testString = [NSString stringWithFormat:@"%d,%s",3, "test"];

上边的示例中，stringWithFormat: 被发送给了 NSString 类，NSString 类 通过 isa 指针 找到 NSString 元类，然后在该元类的方法列表中找到对应的 stringWithFormat: 方法，然后执行该方法。

3.5 实例对象、类、元类之间的关系

上面，我们讲解了 实例对象（Object）、类（Class）、Meta Class（元类） 的基本概念，以及简单的指向关系。下面我们通过一张图来清晰地表示出这种关系。

我们先来看 isa 指针：

1. 水平方向上，每一级中的 实例对象 的 isa 指针 指向了对应的 类对象，而 类对象 的 isa 指针 指向了对应的 元类。而所有元类的 isa 指针 最终指向了 NSObject 元类，因此 NSObject 元类 也被称为 根元类。
2. 垂直方向上， 元类 的 isa 指针 和 父类元类 的 isa 指针 都指向了 根元类。而 根元类 的 isa 指针 又指向了自己。

我们再来看 父类指针：

1. 类对象 的 父类指针 指向了 父类的类对象，父类的类对象 又指向了 根类的类对象，根类的类对象 最终指向了 nil。
2. 元类 的 父类指针 指向了 父类对象的元类。父类对象的元类 的 父类指针指向了 根类对象的元类，也就是 根元类。而 根元类 的 父亲指针 指向了 根类对象，最终指向了 nil。

3.6 Method（方法）

object_class 结构体 的 methodLists（方法列表）中存放的元素就是 Method（方法）。

先来看下 objc/runtime.h 中，表示 Method（方法） 的 objc_method 结构体 的数据结构：

/// An opaque type that represents a method in a class definition.
/// 代表类定义中一个方法的不透明类型
typedef struct objc_method *Method;

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name;                    // 方法名
    char * _Nullable method_types;               // 方法类型
    IMP _Nonnull method_imp;                     // 方法实现
};

可以看到，objc_method 结构体 中包含了 method_name（方法名），method_types（方法类型） 和 method_imp（方法实现）。下面，我们来了解下这三个变量。

1. SEL method_name; // 方法名

/// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;

SEL 是一个指向 objc_selector 结构体 的指针，但是在 runtime 相关头文件中并没有找到明确的定义。不过，通过测试我们可以得出： SEL 只是一个保存方法名的字符串。

SEL sel = @selector(viewDidLoad);
NSLog(@"%s", sel);              // 输出：viewDidLoad
SEL sel1 = @selector(test);
NSLog(@"%s", sel1);             // 输出：test

1. IMP method_imp; // 方法实现

/// A pointer to the function of a method implementation. 
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...); 
#endif

IMP 的实质是一个函数指针，所指向的就是方法的实现。IMP用来找到函数地址，然后执行函数。

1. char * method_types; // 方法类型

方法类型 method_types 是个字符串，用来存储方法的参数类型和返回值类型。

到这里， Method 的结构就已经很清楚了，Method 将 SEL（方法名） 和 IMP（函数指针） 关联起来，当对一个对象发送消息时，会通过给出的 SEL（方法名） 去找到 IMP（函数指针） ，然后执行。

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4. Runtime 消息转发

在 2. 消息机制的基本原理 最后一步中我们提到：若找不到对应的 selector，消息被转发或者临时向 recevier 添加这个 selector 对应的实现方法，否则就会发生崩溃。

当一个方法找不到的时候，Runtime 提供了 消息动态解析、消息接受者重定向、消息重定向 等三步处理消息，具体流程如下图所示：

4.1 消息动态解析

Objective-C 运行时会调用 +resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod:，让你有机会提供一个函数实现。前者在 对象方法未找到时 调用，后者在 类方法未找到时 调用。我们可以通过重写这两个方法，添加其他函数实现，并返回 YES， 那运行时系统就会重新启动一次消息发送的过程。

主要用的的方法如下：

// 类方法未找到时调起，可以在此添加方法实现
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel;
// 对象方法未找到时调起，可以在此添加方法实现
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel;

/** 
 * class_addMethod    向具有给定名称和实现的类中添加新方法
 * @param cls         被添加方法的类
 * @param name        selector 方法名
 * @param imp         实现方法的函数指针
 * @param types imp   指向函数的返回值与参数类型
 * @return            如果添加方法成功返回 YES，否则返回 NO
 */
BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, 
                const char * _Nullable types);

举个例子：

#import "ViewController.h"
#include "objc/runtime.h"

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    // 执行 fun 函数
    [self performSelector:@selector(fun)];
}

// 重写 resolveInstanceMethod: 添加对象方法实现
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(fun)) { // 如果是执行 fun 函数，就动态解析，指定新的 IMP
        class_addMethod([self class], sel, (IMP)funMethod, "v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

void funMethod(id obj, SEL _cmd) {
    NSLog(@"funMethod"); //新的 fun 函数
}

@end

打印结果：
2019-06-12 10:25:39.848260+0800 runtime[14884:7977579] funMethod

从上边的例子中，我们可以看出，虽然我们没有实现 fun 方法，但是通过重写 resolveInstanceMethod: ，利用 class_addMethod 方法添加对象方法实现 funMethod 方法，并执行。从打印结果来看，成功调起了funMethod 方法。

我们注意到 class_addMethod 方法中的特殊参数 v@:，具体可参考官方文档中关于 Type Encodings 的说明：传送门

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4.2 消息接受者重定向

如果上一步中 +resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod: 没有添加其他函数实现，运行时就会进行下一步：消息接受者重定向。

如果当前对象实现了 -forwardingTargetForSelector: 或者 +forwardingTargetForSelector: 方法，Runtime 就会调用这个方法，允许我们将消息的接受者转发给其他对象。

其中用到的方法：

// 重定向类方法的消息接收者，返回一个类或实例对象
+ (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;
// 重定向方法的消息接收者，返回一个类或实例对象
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;

注意：

1. 类方法和对象方法消息转发第二步调用的方法不一样，前者是+forwardingTargetForSelector: 方法，后者是 -forwardingTargetForSelector: 方法。
2. 这里+resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod:无论是返回 YES，还是返回 NO，只要其中没有添加其他函数实现，运行时都会进行下一步。

举个例子：

#import "ViewController.h"
#include "objc/runtime.h"

@interface Person : NSObject

- (void)fun;

@end

@implementation Person

- (void)fun {
    NSLog(@"fun");
}

@end

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    // 执行 fun 方法
    [self performSelector:@selector(fun)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    return YES; // 为了进行下一步 消息接受者重定向
}

// 消息接受者重定向
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(fun)) {
        return [[Person alloc] init];
        // 返回 Person 对象，让 Person 对象接收这个消息
    }
    
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

打印结果：
2019-06-12 17:34:05.027800+0800 runtime[19495:8232512] fun

可以看到，虽然当前 ViewController 没有实现 fun 方法，+resolveInstanceMethod: 也没有添加其他函数实现。但是我们通过 forwardingTargetForSelector 把当前 ViewController 的方法转发给了 Person 对象去执行了。打印结果也证明我们成功实现了转发。

我们通过 forwardingTargetForSelector 可以修改消息的接收者，该方法返回参数是一个对象，如果这个对象是不是 nil，也不是 self，系统会将运行的消息转发给这个对象执行。否则，继续进行下一步：消息重定向流程。

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4.3 消息重定向

如果经过消息动态解析、消息接受者重定向，Runtime 系统还是找不到相应的方法实现而无法响应消息，Runtime 系统会利用 -methodSignatureForSelector: 或者 +methodSignatureForSelector: 方法获取函数的参数和返回值类型。

• 如果 methodSignatureForSelector: 返回了一个 NSMethodSignature 对象（函数签名），Runtime 系统就会创建一个 NSInvocation 对象，并通过 forwardInvocation: 消息通知当前对象，给予此次消息发送最后一次寻找 IMP 的机会。
• 如果 methodSignatureForSelector: 返回 nil。则 Runtime 系统会发出 doesNotRecognizeSelector: 消息，程序也就崩溃了。

所以我们可以在 forwardInvocation: 方法中对消息进行转发。

注意：类方法和对象方法消息转发第三步调用的方法同样不一样。
类方法调用的是：

1. + methodSignatureForSelector:
2. + forwardInvocation:
3. + doesNotRecognizeSelector:

对象方法调用的是：

1. - methodSignatureForSelector:
2. - forwardInvocation:
3. - doesNotRecognizeSelector:

用到的方法：

// 获取类方法函数的参数和返回值类型，返回签名
+ (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;

// 类方法消息重定向
+ (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation；

// 获取对象方法函数的参数和返回值类型，返回签名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;

// 对象方法消息重定向
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation；

举个例子：

#import "ViewController.h"
#include "objc/runtime.h"

@interface Person : NSObject

- (void)fun;

@end

@implementation Person

- (void)fun {
    NSLog(@"fun");
}

@end

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    // 执行 fun 函数
    [self performSelector:@selector(fun)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    return YES; // 为了进行下一步 消息接受者重定向
}

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    return nil; // 为了进行下一步 消息重定向
}

// 获取函数的参数和返回值类型，返回签名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"fun"]) {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
    }
    
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

// 消息重定向
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    SEL sel = anInvocation.selector;   // 从 anInvocation 中获取消息
    
    Person *p = [[Person alloc] init];

    if([p respondsToSelector:sel]) {   // 判断 Person 对象方法是否可以响应 sel
        [anInvocation invokeWithTarget:p];  // 若可以响应，则将消息转发给其他对象处理
    } else {
        [self doesNotRecognizeSelector:sel];  // 若仍然无法响应，则报错：找不到响应方法
    }
}
@end

打印结果：
2019-06-13 13:23:06.935624+0800 runtime[30032:8724248] fun

可以看到，我们在 -forwardInvocation: 方法里面让 Person 对象去执行了 fun 函数。

既然 -forwardingTargetForSelector: 和 -forwardInvocation: 都可以将消息转发给其他对象处理，那么两者的区别在哪？

区别就在于 -forwardingTargetForSelector: 只能将消息转发给一个对象。而 -forwardInvocation: 可以将消息转发给多个对象。

以上就是 Runtime 消息转发的整个流程。

结合之前讲的 2. 消息机制的基本原理，就构成了整个消息发送以及转发的流程。下面我们来总结一下整个流程。

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5. 消息发送以及转发机制总结

调用 [receiver selector]; 后，进行的流程：

1. 编译阶段：[receiver selector]; 方法被编译器转换为:
   1. objc_msgSend(receiver，selector) （不带参数）
   2. objc_msgSend(recevier，selector，org1，org2，…)（带参数）
2. 运行时阶段：消息接受者 recevier 寻找对应的 selector。
   1. 通过 recevier 的 isa 指针 找到 recevier 的 class（类）；
   2. 在 Class（类） 的 cache（方法缓存） 的散列表中寻找对应的 IMP（方法实现）；
   3. 如果在 cache（方法缓存） 中没有找到对应的 IMP（方法实现） 的话，就继续在 Class（类） 的 method list（方法列表） 中找对应的 selector，如果找到，填充到 cache（方法缓存） 中，并返回 selector；
   4. 如果在 class（类） 中没有找到这个 selector，就继续在它的 superclass（父类）中寻找；
   5. 一旦找到对应的 selector，直接执行 recevier 对应 selector 方法实现的 IMP（方法实现）。
   6. 若找不到对应的 selector，Runtime 系统进入消息转发机制。
3. 运行时消息转发阶段：
   1. 动态解析：通过重写 +resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod:方法，利用 class_addMethod方法添加其他函数实现；
   2. 消息接受者重定向：如果上一步添加其他函数实现，可在当前对象中利用 forwardingTargetForSelector: 方法将消息的接受者转发给其他对象；
   3. 消息重定向：如果上一步没有返回值为 nil，则利用 methodSignatureForSelector:方法获取函数的参数和返回值类型。
      1. 如果 methodSignatureForSelector: 返回了一个 NSMethodSignature 对象（函数签名），Runtime 系统就会创建一个 NSInvocation 对象，并通过 forwardInvocation: 消息通知当前对象，给予此次消息发送最后一次寻找 IMP 的机会。
      2. 如果 methodSignatureForSelector: 返回 nil。则 Runtime 系统会发出 doesNotRecognizeSelector: 消息，程序也就崩溃了。

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参考资料

• 文档：Objective-C 运行时（苹果官方文档）
• 文档：Objective-C 运行时编程指南（苹果官方文档）
• 博文：Runtime-iOS 运行时基础篇
• 博文：iOS Runtime 详解
• 博文：新手也看得懂的 iOS Runtime 教程

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以上就是 iOS 开发：『Runtime』详解（一）：基础知识 的所有内容了。
整篇文章主要就讲了一件事：消息发送以及转发机制的原理和流程。这也是 Runtime 系统的工作原理。

下一篇笔者准备讲一下『Runtime』的实战应用。

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iOS 开发：『Runtime』详解 系列文章：

• iOS 开发：『Runtime』详解（一）基础知识
• iOS 开发：『Runtime』详解（二）Method Swizzling
• iOS 开发：『Runtime』详解（三）Category 底层原理
• iOS 开发：『Runtime』详解（四）获取类详细属性、方法

尚未完成：

• iOS 开发：『Runtime』详解（五）Crash 防护系统
• iOS 开发：『Runtime』详解（六）Objective-C 2.0 结构解析
• iOS 开发：『Runtime』详解（七）KVO 底层实现

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• 本文作者： 行走少年郎
• 本文链接： https://www.jianshu.com/p/633e5d8386a8
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