iOS开发Runtime基础知识

iOS开发-Runtime基础知识

前言

Runtime又简称为运行时。其提供了对Objective-C语言动态属性的支持。Runtime的特性主要是消息(方法)传递，如果消息(方法)在对象中找不到,就进行转发。下面我们就从数据结构、类对象与元类对象、消息传递、方法缓存、消息转发、Method-Swizzling、动态添加方法、动态方法解析这些方面来探寻一下。

数据结构

主要存在一下结构：

  • objc_object
  • objc_class
  • isa指针
  • method_t

objc_object

  • id = objc_object：OC中的id类型在runtime中就是对应objc_object这样的数据结构

objc_class

  • Class = objc_class：Class代表一个类，在runtime中就是对应objc_class这样的数据结构
  • objc_class继承自objc_object

  • cache_t：表达了方法缓存的结构，在消息传递时会使用到
  • class_data_bits_t：关于一个类，定义的变量、属性、方法都在class_data_bits_t结构当中

isa指针

  • 实际上是C++中的共用体isa_t结构
    • 指针型isa：isa的值代表Class的地址
    • 非指针型isa：isa的值的部分代表Class的地址
  • isa指向
  • 关于对象，其指向类对象。
  • 关于类对象，其指向元类对象(MetaClass)。 (当我们在进行方法调用的时候， 若调用对象的实例方法，实际上是通过对象的isa指针到类对象当中去进行方法查找； 若我们调用的是类方法，则是通过类对象的isa指针到元类对象中去进行方法查找；)

cache_t

  • 用于快速查找方法执行函数
  • 是可增量扩展的哈希表结构(在结构中随着存储内容增大，也会增量扩大内存空间)

  • 是局部性原理的最佳应用 (简单说明局部性原理： 可能我们在调用的方法就集中那么几个方法，也就是这几个方法调用的频次是最高的，我们就可以把这些方法放到缓存当中，可能下次命中就更高一些)

  • cache_t可以理解为一个数组实现的，里面每一个对象都是bucket_t这样的结构体。
  • bucket_t由key和IMP组成；key对应OC中的选择器SEL，IMP可以理解为一个无类型的函数指针，即方法的实现

class_data_bits_t

  • class_data_bits_t主要是对class_rw_t的封装
  • class_rw_t代表了类相关的读写信息(比如给类的分类添加的方法、属性、协议)，是对class_ro_t的封装(rw：可读可写；ro：只读)
  • class_ro_t代表了类相关的只读信息

class_rw_t

(以methods举例，methods装载了类的不同分类的方法集合；)

class_ro_t

method_t

  • 首先回顾下函数的四要素：返回值、名称、参数、函数体。
  • struct method_t：实际上是一个结构体类型，包含以下数据结构
    • SEL name：代表方法的名称
    • const char* types：对应的是方法的返回值和参数的组合
    • IMP imp：实际上是一个无类型的函数指针，所对应的就是函数体

下面讲解下const char* types，那么OC中是怎么实现的呢，这就要涉及苹果开发中Type Encodings技术。

  • Type Encodings
    • const char* types；

  • v 代表返回值是void类型的
  • @ 代表第一个参数类型是id，即self
  • : 代表第二个参数是SEL类型的

整体数据结构

对象、类对象、元类对象

  • 类对象存储实例方法列表等信息；
  • 元类对象存储类方法列表等信息；

消息传递

我们先看下这段代码的结果如何

@implementation Son

- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        NSLog(@"class name01 = %@", NSStringFromClass([self class]));
        NSLog(@"class name02 = %@", NSStringFromClass([super class]));
    }
    return self;
}
@end

答案：
class name01 = Son
class name02 = Son

方法调用会编译器转为objc_msgSend、objc_msgSendSuper

  • void objc_msgSend(void /* id self, SEL op, … */ )
  • void objc_msgSendSuper(void /* struct objc_super *super, SEL op, … */ )
objc_super的结构：
struct objc_super {
	/// Specifies an instance of a class.
	__sunsafe_unretained id receiver; // 就是当前对象
}

(其实super只是编译器关键字，最后还是struct objc_super中的receiver接收消息)

  • objc_msgSend和objc_msgSendSuper的区别
    • objc_msgSendSuper从父类的方法列表中开始查找

消息转发的流程：

下面我们继续分析三个判断条件里的实现

缓存查找

  • 例：给定值是SEL，目标值是对应bucket_t中的IMP。
  • 通过Hash查找，cache_key_t–f(key)—>bucket_t

当前类中查找

  • 对于已排序好的列表，采用二分查找算法查找方法对应执行函数
  • 对于没有排序的列表，采用一般遍历查找方法对应执行函数

父类逐级查找

消息转发流程

  • 转发流程，相关的函数：

  • resolveInstanceMethod
  • forwardingTargetForSelector
  • methodSignatureForSelector

Method-Swizzling

  • Method Swizzling是一种改变一个selector的实际实现的技术。通过这一技术，我们可以在运行时通过修改类的分发表中selector对应的函数，来修改方法的实现。

  • 举例，代码如下：

@implementation NSMutableDictionary (HYLSafe)

+ (void)load 
{
    Class dictCls = NSClassFromString(@"__NSDictionaryM");
    Method originalMethod = class_getInstanceMethod(dictCls, @selector(setObject:forKey:));
    Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(dictCls, @selector(hyl_setObject:forKey:));
    // 确保不插入nil对象
    method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
}

- (void)hyl_setObject:(id)anObject forKey:(id<NSCopying>)aKey 
{
    if (!anObject)
        return;
    [self hyl_setObject:anObject forKey:aKey];
}

@end
  • 使用场景：
    • 替换系统方法，如viewDidLoad，统一处理
    • NSMutableDictionary的setObject方法，保证程序不崩溃

动态添加方法

  • 应用场景：可能有人会问，你有用过performSelector方法么？(隐式询问是否用过动态添加方法，因为类可能在编译时未实现某个方法，运行时才添加了方法)
  • 具体添加实现:
void testImp(void)
{
    NSLog(@"test invoke");
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
    if (sel == @selector(test)) {
        // 动态添加 test方法的实现
        class_addMethod(self, @selector(test), testImp, "v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

动态方法解析

  • 应用场景：可能有人会问，你有使用过@dynamic这个编译器关键字？(隐式考察编译时语言与动态运行时语言的区别)
    • 当我们声明的属性，在实现中标志为@dynamic的时候，相当于属性的get、set方法是在运行时添加的，而不是编译时自动添加实现的

Q：编译时语言与动态运行时语言的区别？

  • 动态运行时语言将函数决议推迟到运行时；
  • 编译时语言在编译期进行函数决议；

总结

  • [obj foo]和objc_msgSend（）函数之间有什么关系？
  • runtime如何通过Selector找到对应的IMP地址的？(消息传递的流程)
  • 能否向编译后的类中增加实例变量？(不能，可为动态添加的类增加实例变量)

参考文章

最后

如果对大家有帮助，请github上follow和star，本文发布在戴超的技术博客，转载请注明出处

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