全方位剖析iOS高级技术问题(三)之动态运行时Runtime相关问题

本文主要内容

一.Runtime数据结构
二.Runtime类对象与元类对象
三.Runtime方法缓存&消息传递详述
四.Runtime消息转发
五.Runtime Method-Swizzling
六.Runtime动态添加方法
七.Runtime动态方法解析

一.Runtime数据结构

• objc_object
• objc_class
• isa指针
• method_t

1、objc_object

所有的对象都是id类型的，id类型对象对应到Runtime中就是objc_object结构体。objc_object包含以下内容：isa_t共用体、关于isa操作相关、弱引用相关、关联对象相关、内存管理相关。

2、objc_class

OC中使用的Class对应到Runtime中就是objc_class结构体，objc_class继承自objc_object，所以Class也是个对象。objc_class包含以下内容：Class super Class、cache_t cache、class_data_bits_t bits。

3、isa指针

• 共用体isa_t，指针型isa的isa的值代表Class的地址，非指针型isa的isa的值的部分代表Class的地址

• isa的指向：关于对象，其指向类对象；关于类对象，其指向元类对象。

4、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
• 是局部性原理的最佳应用

局部性原理：一般在调用方法时，往往调用的就那几个方法，这几个方法被调用的频次是最高的，如果把调用频次最高的这几个方法放到缓存中，下次的命中率会更高。

数据结构说明： key对应OC语言中的SEL。

5、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、对class_ro_t的封装
• class_ro_t代表了类相关的只读信息

class_rw_t：

class_ro_t：

class_ro_t：

• 函数四要素：名称、返回值、参数、函数体

Type Encodings

• const char* types;

Runtime总体结构：

二.Runtime类对象与元类对象

• 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

类对象和元类对象的区别和联系

• 实例对象能通过isa指针找到它的类对象，类对象中存储实例方法列表等信息；
• 类对象能通过isa指针找到它的元类对象，元类对象中存储类方法列表等信息；
• 类对象和元类对象都是objc_class数据结构，由于objc_class继承自objc_object,所以才有isa指针，才能实现实例可以通过isa指针找到类对象，进而可以访问实例方法列表等信息，类对象可以通过isa指针找到元类对象，进而可以访问类方法列表等信息。

消息传递简述

// 
void objc_msgSend(void /* id self, SEL op,... */)

void objc_msgSendSuper(void /* struct objc_super *super, SEL op,... */)

struct objc_super {
    // Specifies an instance of a class
    // 接收者实际就是当前对象(self)
    _unsafe_unretained id receiver;
}

注意⚠️：无论是[self class]还是[super class]，当前这条消息的接收者都是当前对象self。

消息传递流程

问题1：如下输出结果是什么？

#import "Mobile.h"
@interface Phone: Mobile

@end

@implementation Phone

- (id)init {
    self = [super init];
    if (self) {
        // 结果： Phone Phone
        NSLog(@"%@", NSStringFromClass([self class]));
        NSLog(@"%@", NSStringFromClass([self class]));
    }
    return self;
}

答:在消息传递过程中，[self class]的消息接收者是当前对象，即Phone。Phone的实例在初始化后，通过[self class]打印类信息或类名称，通过实例对象(instance of Subclass)的isa指针找到Phone的类对象(Subclass(class))，类对象中没有class方法，再通过superClass找到父类Mobile对象(Superclass(class))，仍然没有class方法，继续查找直到根类对象中实现class。通过[super class]打印类信息或类名称，实际的接收者也还是当前对象Phone，而[super class]的含义是跨越了类对象的查找直接到父类(Superclass(class))开始查找，直到查找到根类对象NSObject。

三.Runtime方法缓存&消息传递详述

第一步、缓存查找

实际上就是根据给定的方法选择器SEL，查找对应bucket_t中的IMP，即方法实现。涉及到Hash哈希查找，首先根据给定的方法选择器，通过Hash哈希函数映射出bucket_t在数据中的位置。

第二步、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

第三步、父类逐级查找

消息传递总结

消息传递过程中首先依次看缓存是否命中、当前类方法列表是否命中、逐级父类方法列表是否命中，然后缓存是否命中是通过哈希查找方式查找；当前类方法列表是否命中涉及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；逐级父类方法列表是否命中根据superclass指针逐级查找。

四.Runtime消息转发

对于实例方法的消息转发流程：

• 1.首先系统会回调resolvelnstanceMethod:类方法(类方法消息转发回调resolveClassMethod:方法)，参数为SEL类型的方法选择器,返回类型为BOOL类型，相当于告诉系统：我们要不要解决当前实例方法的实现，如果这一步返回YES，或者给予此方法选择器所对应方法实现的实现时，相当于通知系统当前消息已处理，会结束此消息转发流程；
• 2.如果这一步返回NO，会回调forwardingTargetForSelector:实例方法，参数为SEL类型的方法选择器,返回类型为id类型,相当于告诉系统：这个选择器或这此实例方法的调用应该由哪个对象进行处理。转发对象是谁。如果指定了转发目标，系统会把这条消息转发给返回的转发目标，结束本次消息转发流程；
• 3.如果没有返回任何转发目标,即返回nil。此时会调用methodSignatureForSe lector:实例方法，参数为SEL类型的方法选择器，方法的返回值类型为NS MethodSignature对象，该对象是对方法选择器返回值的类型和它的参数个数、参数类型的封装，如果该方法返回方法签名，系统会接着调用forwardInvocation:方法，如果该方法能处理消息，则结束本次消息转发流程；
• 4.如果methodSignatureForSelector:方法返回为nil或者forwardInvocat ion:无法处理消息则被标记为”消息无法处理”，即“unrecognized selector sent to instance”。

消息转发验证代码

RuntimeObject.h

#import <Foundation/Foundation.h>

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface RuntimeObject : NSObject

- (void)test;

@end

RuntimeObject.m

#import "RuntimeObject.h"

@implementation RuntimeObject

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {

    // 如果是test方法，打印日志
    if (sel == @selector(test)) {
        NSLog(@"resolveInstanceMethod:");
        return NO;
    } else {
        // 返回父类的默认调用
        return [super resolveClassMethod:sel];
    }
}

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {

    NSLog(@"forwardingTargetForSelector:");
    return nil;
}

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {

    if (aSelector == @selector(test)) {
        NSLog(@"methodSignatureForSelector:");
        // 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，即@selector(test)
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
    } else {
        return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
    }
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {

    NSLog(@"forwardInvocation:");
}
@end

AppDelegate.h中调用

#import "RuntimeObject.h"

RuntimeObject *obj = [[RuntimeObject alloc] init];
// 调用test方法，只有声明，没有实现
[obj test];

结果：
2022-08-10 20:17:21.320828+0800 01-Runtime消息转发[66889:15765818] resolveInstanceMethod:
2022-08-10 20:17:21.320945+0800 01-Runtime消息转发[66889:15765818] forwardingTargetForSelector:
2022-08-10 20:17:21.321040+0800 01-Runtime消息转发[66889:15765818] methodSignatureForSelector:
2022-08-10 20:17:21.321153+0800 01-Runtime消息转发[66889:15765818] forwardInvocation:

五.Runtime Method-Swizzling`

1、objc_object

什么是Method-Swizzling？

方法交换验证代码

RuntimeObject.h

#import <Foundation/Foundation.h>

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface RuntimeObject : NSObject

- (void)test;
- (void)otherTest;

@end

RuntimeObject.m

#import "RuntimeObject.h"

@implementation RuntimeObject

+ (void)load {

    // 获取test方法实现结构
    Method test = class_getInstanceMethod(self, @selector(test));
    // 获取otherTest方法实现结构
    Method otherTest = class_getInstanceMethod(self, @selector(otherTest));

    // 交换两个方法的实现
    method_exchangeImplementations(test, otherTest);
}

- (void)test {
    NSLog(@"test");
}

- (void)otherTest {

    // 在调用此方法前，已经将两个方法的实现进行了交换
    // 实际上是调用test的具体实现
    [self otherTest];
    NSLog(@"otherTest");
}
@end

结果：
2022-08-10 20:18:03.814878+0800 01-Runtime消息转发[67020:15767056] test
2022-08-10 20:18:03.814996+0800 01-Runtime消息转发[67020:15767056] otherTest

六.Runtime动态添加方法`

动态添加方法验证代码

RuntimeObject.m

void testImp(void) {
    NSLog(@"test invoke");
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {

    // 如果是test方法，打印日志
    if (sel == @selector(test)) {
        NSLog(@"resolveInstanceMethod:");

        // 动态添加test方法的实现
        class_addMethod(self, @selector(test), testImp, "v@:");

        return YES;
    } else {
        // 返回父类的默认调用
        return [super resolveClassMethod:sel];
    }
}

结果：
2022-08-10 20:32:33.993726+0800 01-Runtime消息转发[69545:15784461] resolveInstanceMethod:
2022-08-10 20:32:34.034447+0800 01-Runtime消息转发[69545:15784461] test invoke

问题：是否使用过performSelector:系统方法?

实际上是考察Runtime动态添加方法的特性！

Xcode内部全局搜索快捷键：shift+command+o

七.Runtime动态方法解析`

问题：是否使用过@dynamic编译器关键字?

声明的属性在实现当中标识为@dynamic时，相当于getter和setter方法在运行时添加，而非在编译时声明好。

• 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

本文总结

问题1：[obj foo]和objc_msgSend()函数之间有什么关系?

[obj foo] 《===》 objc_msqSend(self, @selector(foo))

问题2：runtime如何通过Selector找到对应的IMP地址的？

缓存是否命中、当前类方法列表是否命中、逐级父类方法列表是否命中

问题3：能否向编译后的类中增加实例变量？

编译前的类已经完成实例变量的布局，runtime数据结构中的class_ro_t，编译后无法修改！但可以在动态添加的类中增加实例变量。