Objective-C runtime 机制

Posted 2020-08-31 DHUI

runtime使用C语言结构体表示对象，用C语言函数表示方法，这些C语言函数和结构体被Runtime封装后，我们就可以在程序中执行创建，检查，修改类和对象和他们的方法

runtime 是 OC底层的一套C语言的API（引入 <objc/runtime.h> 或<objc/message.h>），编译器最终都会将OC代码转化为运行时代码，通过终端命令编译.m 文件：clang -rewrite-objc xxx.m可以看到编译后的xxx.cpp（C++文件）。
比如我们创建了一个对象

int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        JKPerson *person = [[JKPerson alloc] init];
        [person doSomething];
    }
    return 0;
}

最终被转换为几万行代码，截取最关键的一句可以看到底层是通过runtime创建的对象

int main(int argc, char * argv[]) {

    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
        JKPerson *person = ((JKPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((JKPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("JKPerson"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("doSomething"));
    }
    return 0;
}

runtime
1、是由C、C++、汇编写成的api
2、OC运行时，装载到内存

相对应的编译时，源代码翻译

OC SWIFT JAVA 高级语言，不被机器所识别，需要编译成响应的机器语言，二进制

Objective-c程序有三种途径和运行时系统交互
1、通过Objective-c源代码，如@selector()
2、通过Foundation框架中NSObject的方法,如 iskindof
3、通过调用运行时系统给我们提供的api接口,如objc_msgSend,objc_getClass

OC对象本质是结构体
OC调用方法就是发送消息 objc_msgSend
消息的组成：((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("doSomething"));
第一个参数person消息的接收者，第二个参数sel_registerName("doSomething")方法编号
imp 函数实现的指针，sel找到imp

查看关系图

OC的Class其实是一个objc_class结构体的指针，下面是Class类的定义

typedef struct objc_class *Class;

查看objc/runtime.h中objc_class结构体的定义如下

struct objc_class {
 Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY; //isa指针   
#if !__OBJC2__ Class
super_class OBJC2_UNAVAILABLE; // 父类
const char *name OBJC2_UNAVAILABLE; // 类名
long version OBJC2_UNAVAILABLE; // 类的版本信息，默认为0
long info OBJC2_UNAVAILABLE; // 类信息
long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE; // 类占据的内存大小
struct objc_ivar_list *ivars OBJC2_UNAVAILABLE; // 成员变量链表
struct objc_method_list **methodLists OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法链表
struct objc_cache *cache OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法缓存列表
struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE; // 协议链表
 #endif
 } OBJC2_UNAVAILABLE;

这个isa指针的指向就是该类对象的元类，每一个类都是它的元类的对象，元类是对类对象的描述，就像类是普通实例对象的描述一样。

每一个类里面声明的类方法，其本质就是把该类方法放到元类的方法列表上面，所以类在调用类方法时，可以想象成是元类的对象在调用一个实例方法。

A的父类是B，A的元类的父类是B的元类，B的父类是NSObject,NSObject的父类是nil，B元类的父类是NSObject的元类;特别注意的一点，NSObject的元类的父类是NSObject,NSObject的isa指针又指向NSObject的元类，所以在NSObject里面的所有方法，NSObject的元类也都拥有，1、所以用NSObject 调用任意NSObject里面的实例方法都是可以成功的，

类和元类是一个闭环，实例指向类，类指向元类，元类指向跟元类，跟元类指向自身，根元类的父类是NSObject

元类是 Class 对象的类。每个类（Class）都有自己独一无二的元类（每个类都有自己第一无二的方法列表）。这意味着所有的类对象都不同。

NSObject里面的所有实力方法，任意类都可以通过类方法调用。

所有的meta-class使用基类的meta-class作为自己的基类，对于顶层基类的meta-class也是一样，只是它指向自己而已

 

[obj foo] 等同于 obj_msgSend(obj,@selector(foo))

objc 在向一个对象发送消息时，runtime库会根据对象的isa指针找到该对象实际所属的类，然后在该类的方法列表以及其父类方法列表中寻找方法运行。

iOS 消息查找流程 https://www.jianshu.com/p/e6b253c8c76c

如果在层层的寻找中均位找到方法的实现，就会抛出unrecognized selector sent to XXX的异常，导致程序奔溃.
 在这奔溃前，oc运行时提供了三次拯救程序的机会
 
 1、Method resolution ,动态方法解析阶段
 对应的具体方法是+(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel 和+(BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel，
 当方法是实例方法时调用前者，当方法为类方法时，调用后者。这个方法设计的目的是为了给类利用 class_addMethod 添加方法的机会。

// void(*)()
// 默认方法都有两个隐式参数，
void eat(id self,SEL sel)
{
    NSLog(@"%@ %@",self,NSStringFromSelector(sel));
}
pragma mark 消息转发第一步(实例) 如此便达到了，当此类调用未定义的实例方法时，自动调用eat函数，而避免了崩溃的情况。
// 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), (IMP)eat, "v@:");

    }

    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

 2、fowarding 方法转发,备援接收者阶段
 对象的具体方法是-(id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector ，
 此时，运行时询问能否把消息转给其他接收者处理，也就是此时系统给了个将这个 SEL 转给其他对象的机会。

  #pragma mark 消息转发第二步， 第一步失败后执行                     
 #pragma mark 其实只要返回对象不为self 和 nil 就会把消息转发给返回的对象 
 - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector { 
 NSString * str = NSStringFromSelector(aSelector); 
 NSString * obj = [NSString stringWithFormat:@"testClass"]; 
 NSLog(@"方法 %@ 即将转发给 Class %@",str,[obj class]); 
 return obj; 
 }

 3、 fowarding 方法转发,完整消息转发阶段
 1）、首先会调用- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector 方法，倘若返回值为nil，则runtime会发出doesNotRecognizeSelector:消息，引发异常，程序崩溃。

2）、如果返回了一个合理的函数签名，Runtime就会创建一个NSInvocation对象并发送-forwardInvocation:消息给目标对象。参数 anInvocation 中包含未处理消息的各种信息（selector\\target\\参数...）。
 在这个方法中，可以把 anInvocation 转发给多个对象，与第二步不同，第二步只能转给一个对象

代码范例：策略模式 NSInvocation 和 路由机制原理-消息转发 HXInvocationHelper
 
 4、如果上述3个方法都没有来处理这个消息，就会进入 NSObject 的-(void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector方法中，抛出异常

总结一下整个消息转发的流程：

 

代码：

#import "ViewController.h"

@interface ViewController ()

@property (weak, nonatomic) IBOutlet UILabel *displayLabel;
- (IBAction)buttonTest:(UIButton *)sender;
@end

@implementation ViewController
- (IBAction)buttonTest:(UIButton *)sender {
    NSLog(@"--1--");
    [self performSelector:@selector(setText:) withObject:@"hello"];
}
+(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
    NSLog(@"--2--");
    return NO;
}
//+(BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel
//{
//    NSLog(@"--2--");
//    return NO;
//}

-(id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
{
    NSLog(@"--3--");
    return nil;
}

-(NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector
{
    NSLog(@"--4--");
   NSMethodSignature *signature= [super methodSignatureForSelector:aSelector];
    if (!signature) {
        signature=[self.displayLabel methodSignatureForSelector:aSelector];
    }
    
    return signature;
}
-(void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
{
    NSLog(@"--5--");
    SEL seletor=[anInvocation selector];
    if([self.displayLabel respondsToSelector:seletor]){
        [anInvocation invokeWithTarget:self.displayLabel];
    }
}
@end

 问题：那我们只用最后一个接盘侠方法多好啊，为什么还需要前2个呢？
其实还与这3个方法的用途不同有关：
运行期添加方法，用1；
转发给另1个对象、改变方法时，用2；
需要转发给多个对象时，用3；

 

参考:

链接:OC最实用的runtime总结，面试、工作你看我就足够了！

链接:iOS防止崩溃机制以及底层原理