iOS開(kāi)發(fā)中runtime的基本知識(shí)有哪些

今天就跟大家聊聊有關(guān)iOS開(kāi)發(fā)中runtime的基本知識(shí)有哪些，可能很多人都不太了解，為了讓大家更加了解，小編給大家總結(jié)了以下內(nèi)容，希望大家根據(jù)這篇文章可以有所收獲。

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1. 運(yùn)行時(shí)

1.1 基本概念: 運(yùn)行時(shí)

Runtime 的概念

Runtime 又叫運(yùn)行時(shí)，是一套底層的 C 語(yǔ)言 API，其為 iOS 內(nèi)部的核心之一，我們平時(shí)編寫的 OC 代碼，底層都是基于它來(lái)實(shí)現(xiàn)的。比如：

以上你可能看不出它的價(jià)值，但是我們需要了解的是 Objective-C 是一門動(dòng)態(tài)語(yǔ)言，它會(huì)將一些工作放在代碼運(yùn)行時(shí)才處理而并非編譯時(shí)。也就是說(shuō)，有很多類和成員變量在我們編譯的時(shí)是不知道的，而在運(yùn)行時(shí)，我們所編寫的代碼會(huì)轉(zhuǎn)換成完整的確定的代碼運(yùn)行。

因此，編譯器是不夠的，我們還需要一個(gè)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)(Runtime system)來(lái)處理編譯后的代碼。Runtime 基本是用 C 和匯編寫的，由此可見(jiàn)蘋果為了動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的高效而做出的努力。蘋果和 GNU 各自維護(hù)一個(gè)開(kāi)源的 Runtime 版本，這兩個(gè)版本之間都在努力保持一致。

Runtime 的作用

Objc 在三種層面上與 Runtime 系統(tǒng)進(jìn)行交互：

通過(guò) Objective-C 源代碼

通過(guò) Foundation 框架的 NSObject 類定義的方法

通過(guò)對(duì) Runtime 庫(kù)函數(shù)的直接調(diào)用

1.2 各種基本概念的C表達(dá)

在 Objective-C 中，類、對(duì)象和方法都是一個(gè) C 的結(jié)構(gòu)體，從  objc/objc.h（對(duì)象，objc_object，id）以及objc/runtime.h（其它，類，方法，方法列表，變量列表，屬性列表等相關(guān)的）以及中，我們可以找到他們的定義。

① 類

類對(duì)象(Class)是由程序員定義并在運(yùn)行時(shí)由編譯器創(chuàng)建的，它沒(méi)有自己的實(shí)例變量，這里需要注意的是類的成員變量和實(shí)例方法列表是屬于實(shí)例對(duì)象的，但其存儲(chǔ)于類對(duì)象當(dāng)中的。我們?cè)趏bjc/objc.h下看看Class的定義:

Class

在這里我還是要推薦下我自己建的iOS開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)群：680565220，群里都是學(xué)ios開(kāi)發(fā)的，如果你正在學(xué)習(xí)ios ，小編歡迎你加入，今天分享的這個(gè)案例已經(jīng)上傳到群文件，大家都是軟件開(kāi)發(fā)黨，不定期分享干貨（只有iOS軟件開(kāi)發(fā)相關(guān)的），包括我自己整理的一份2018最新的iOS進(jìn)階資料和高級(jí)開(kāi)發(fā)教程

可以看到類是由Class類型來(lái)表示的，它是一個(gè)objc_class結(jié)構(gòu)類型的指針。我們接著來(lái)看objc_class結(jié)構(gòu)體的定義:

objc_class

參數(shù)解析

isa指針是和Class同類型的objc_class結(jié)構(gòu)指針，類對(duì)象的指針指向其所屬的類，即元類。元類中存儲(chǔ)著類對(duì)象的類方法，當(dāng)訪問(wèn)某個(gè)類的類方法時(shí)會(huì)通過(guò)該isa指針從元類中尋找方法對(duì)應(yīng)的函數(shù)指針。

super_class指針指向該類所繼承的父類對(duì)象，如果該類已經(jīng)是最頂層的根類(如NSObject或NSProxy), 則 super_class為NULL。

cache：用于緩存最近使用的方法。一個(gè)接收者對(duì)象接收到一個(gè)消息時(shí)，它會(huì)根據(jù)isa指針去查找能夠響應(yīng)這個(gè)消息的對(duì)象。在實(shí)際使用中，這個(gè)對(duì)象只有一部分方法是常用的，很多方法其實(shí)很少用或者根本用不上。這種情況下，如果每次消息來(lái)時(shí)，我們都是methodLists中遍歷一遍，性能勢(shì)必很差。這時(shí)，cache就派上用場(chǎng)了。在我們每次調(diào)用過(guò)一個(gè)方法后，這個(gè)方法就會(huì)被緩存到cache列表中，下次調(diào)用的時(shí)候runtime就會(huì)優(yōu)先去cache中查找，如果cache沒(méi)有，才去methodLists中查找方法。這樣，對(duì)于那些經(jīng)常用到的方法的調(diào)用，但提高了調(diào)用的效率。

version：我們可以使用這個(gè)字段來(lái)提供類的版本信息。這對(duì)于對(duì)象的序列化非常有用，它可是讓我們識(shí)別出不同類定義版本中實(shí)例變量布局的改變。

protocols：當(dāng)然可以看出這一個(gè)objc_protocol_list的指針。關(guān)于objc_protocol_list的結(jié)構(gòu)體構(gòu)成后面會(huì)講。

獲取類的類名

實(shí)例對(duì)象是我們對(duì)類對(duì)象alloc或者new操作時(shí)所創(chuàng)建的，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)拷貝實(shí)例所屬的類的成員變量，但并不拷貝類定義的方法。調(diào)用實(shí)例方法時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)例的isa指針去類的方法列表及父類的方法列表中尋找與消息對(duì)應(yīng)的selector指向的方法。同樣的，我們也來(lái)看下其定義:

objc_object

可以看到，這個(gè)結(jié)構(gòu)體只有一個(gè)isa變量，指向?qū)嵗龑?duì)象所屬的類。任何帶有以指針開(kāi)始并指向類結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)都可以被視作objc_object, 對(duì)象最重要的特點(diǎn)是可以給其發(fā)送消息。 NSObject類的alloc和allocWithZone:方法使用函數(shù)class_createInstance來(lái)創(chuàng)建objc_object數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

另外我們常見(jiàn)的id類型，它是一個(gè)objc_object結(jié)構(gòu)類型的指針。該類型的對(duì)象可以轉(zhuǎn)換為任何一種對(duì)象，類似于C語(yǔ)言中void *指針類型的作用。其定義如下所示:

id

元類(Metaclass)就是類對(duì)象的類，每個(gè)類都有自己的元類，也就是objc_class結(jié)構(gòu)體里面isa指針?biāo)赶虻念? Objective-C的類方法是使用元類的根本原因，因?yàn)槠渲写鎯?chǔ)著對(duì)應(yīng)的類對(duì)象調(diào)用的方法即類方法。

當(dāng)向?qū)ο蟀l(fā)消息，runtime會(huì)在這個(gè)對(duì)象所屬類方法列表中查找發(fā)送消息對(duì)應(yīng)的方法，但當(dāng)向類發(fā)送消息時(shí)，runtime就會(huì)在這個(gè)類的meta class方法列表里查找。所有的meta class，包括Root class，Superclass，Subclass的isa都指向Root class的meta class，這樣能夠形成一個(gè)閉環(huán)。

所以由上圖可以看到，在給實(shí)例對(duì)象或類對(duì)象發(fā)送消息時(shí)，尋找方法列表的規(guī)則為:

當(dāng)發(fā)送消息給實(shí)例對(duì)象時(shí)，消息是在尋找這個(gè)對(duì)象的類的方法列表(實(shí)例方法)

當(dāng)發(fā)送消息給類對(duì)象時(shí)，消息是在尋找這個(gè)類的元類的方法列表(類方法)

元類，就像之前的類一樣，它也是一個(gè)對(duì)象，也可以調(diào)用它的方法。所以這就意味著它必須也有一個(gè)類。所有的元類都使用根元類作為他們的類。比如所有NSObject的子類的元類都會(huì)以NSObject的元類作為他們的類。

根據(jù)這個(gè)規(guī)則，所有的元類使用根元類作為他們的類，根元類的元類則就是它自己。也就是說(shuō)基類的元類的isa指針指向他自己。

操作函數(shù)

super_class和meta-class

在Objective-C中，屬性(property)和成員變量是不同的。那么，屬性的本質(zhì)是什么？它和成員變量之間有什么區(qū)別？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)屬性是添加了存取方法的成員變量，也就是:

@property = ivar + getter + setter;

因此，我們每定義一個(gè)@property都會(huì)添加對(duì)應(yīng)的ivar, getter和setter到類結(jié)構(gòu)體objc_class中。具體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)會(huì)在objc_ivar_list中添加一個(gè)成員變量的描述，然后在methodLists中分別添加setter和getter方法的描述。下面的objc_property_t是聲明的屬性的類型，是一個(gè)指向objc_property結(jié)構(gòu)體的指針。

用法舉例

另外，關(guān)于屬性有一個(gè)objc_property_attribute_t結(jié)構(gòu)體列表，objc_property_attribute_t結(jié)構(gòu)體包含name和value

objc_property_attribute_t

常用的屬性如下：

屬性類型 name值：T value：變化

編碼類型 name值：C(copy) &(strong) W(weak)空(assign) 等 value：無(wú)

非/原子性 name值：空(atomic) N(Nonatomic) value：無(wú)

變量名稱 name值：V value：變化

例如

⑤ 成員變量

Ivar: 實(shí)例變量類型，是一個(gè)指向objc_ivar結(jié)構(gòu)體的

指針

Ivar

在objc_class中，所有的成員變量、屬性的信息是放在鏈表ivars中的。ivars是一個(gè)數(shù)組，數(shù)組中每個(gè)元素是指向Ivar(變量信息)的指針。

objc_ivar_list

其中，

方法名類型為 SEL

方法類型 method_types 是個(gè) char 指針，存儲(chǔ)方法的參數(shù)類型和返回值類型

method_imp 指向了方法的實(shí)現(xiàn)，本質(zhì)是一個(gè)函數(shù)指針

簡(jiǎn)言之，Method = SEL + IMP + method_types，相當(dāng)于在SEL和IMP之間建立了一個(gè)映射。

操作函數(shù)

在源碼中沒(méi)有直接找到 objc_selector 的定義，從一些書籍上與 Blog 上看到可以將 SEL 理解為一個(gè) char* 指針。

具體這 objc_selector 結(jié)構(gòu)體是什么取決與使用GNU的還是Apple的運(yùn)行時(shí)， 在Mac OS X中SEL其實(shí)被映射為一個(gè)C字符串，可以看作是方法的名字，它并不一個(gè)指向具體方法實(shí)現(xiàn)（IMP類型才是）。

對(duì)于所有的類，只要方法名是相同的，產(chǎn)生的selector都是一樣的。

操作函數(shù)

實(shí)際上就是一個(gè)函數(shù)指針，指向方法實(shí)現(xiàn)的首地址。通過(guò)取得 IMP，我們可以跳過(guò) runtime 的消息傳遞機(jī)制，直接執(zhí)行 IMP指向的函數(shù)實(shí)現(xiàn)，這樣省去了 runtime 消息傳遞過(guò)程中所做的一系列查找操作，會(huì)比直接向?qū)ο蟀l(fā)送消息高效一些，當(dāng)然必須說(shuō)明的是，這種方式只適用于極特殊的優(yōu)化場(chǎng)景，如效率敏感的場(chǎng)景下大量循環(huán)的調(diào)用某方法。

操作函數(shù)

上面提到了objc_class結(jié)構(gòu)體中的cache字段，它用于緩存調(diào)用過(guò)的方法。這個(gè)字段是一個(gè)指向objc_cache結(jié)構(gòu)體的指針，其定義如下：

Cache

該結(jié)構(gòu)體的字段描述如下：

mask：一個(gè)整數(shù)，指定分配的緩存bucket的總數(shù)。在方法查找過(guò)程中，Objective-C runtime使用這個(gè)字段來(lái)確定開(kāi)始線性查找數(shù)組的索引位置。指向方法selector的指針與該字段做一個(gè)AND位操作(index = (mask & selector))。這可以作為一個(gè)簡(jiǎn)單的hash散列算法。

occupied：一個(gè)整數(shù)，指定實(shí)際占用的緩存bucket的總數(shù)。

buckets：指向Method數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針的數(shù)組。這個(gè)數(shù)組可能包含不超過(guò)mask+1個(gè)元素。需要注意的是，指針可能是NULL，表示這個(gè)緩存bucket沒(méi)有被占用，另外被占用的bucket可能是不連續(xù)的。這個(gè)數(shù)組可能會(huì)隨著時(shí)間而增長(zhǎng)。

? 協(xié)議鏈表

前面objc_class的結(jié)構(gòu)體中有個(gè)協(xié)議鏈表的參數(shù)，協(xié)議鏈表用來(lái)存儲(chǔ)聲明遵守的正式協(xié)議

objc_protocol_list

2. 方法調(diào)用流程

objc_msgSend() Tour 系列文章通過(guò)對(duì) objc_msgSend 的匯編源碼分析，總結(jié)出以下流程：

2.1 方法調(diào)用流程

檢查 selector 是否需要忽略

檢查 target 是否為 nil，如果是 nil 就直接 cleanup，然后 return

在 target 的 Class 中根據(jù) selector 去找 IMP

2.2 尋找 IMP 的過(guò)程:

在當(dāng)前 class 的方法緩存里尋找（cache methodLists）

找到了跳到對(duì)應(yīng)的方法實(shí)現(xiàn)，沒(méi)找到繼續(xù)往下執(zhí)行

從當(dāng)前 class 的 方法列表里查找（methodLists），找到了添加到緩存列表里，然后跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的方法實(shí)現(xiàn)；沒(méi)找到繼續(xù)往下執(zhí)行

從 superClass 的緩存列表和方法列表里查找，直到找到基類為止

以上步驟還找不到 IMP，則進(jìn)入消息動(dòng)態(tài)處理和消息轉(zhuǎn)發(fā)流程，詳見(jiàn)請(qǐng)關(guān)注微信公眾號(hào)：程序員大牛！

我們能在  objc4官方源碼 中找到上述尋找 IMP 的過(guò)程，具體對(duì)應(yīng)的代碼如下：

objc-class.mm

3. 運(yùn)行時(shí)相關(guān)的API

3.1 通過(guò) Foundation 框架的 NSObject 類定義的方法

Cocoa 程序中絕大部分類都是 NSObject 類的子類，所以都繼承了 NSObject 的行為。(NSProxy 類時(shí)個(gè)例外，它是個(gè)抽象超類)

一些情況下，NSObject 類僅僅定義了完成某件事情的模板，并沒(méi)有提供所需要的代碼。例如 -description 方法，該方法返回類內(nèi)容的字符串表示，該方法主要用來(lái)調(diào)試程序。NSObject 類并不知道子類的內(nèi)容，所以它只是返回類的名字和對(duì)象的地址，NSObject 的子類可以重新實(shí)現(xiàn)。

還有一些 NSObject 的方法可以從 Runtime 系統(tǒng)中獲取信息，允許對(duì)象進(jìn)行自我檢查。例如：

-class方法返回對(duì)象的類；

-isKindOfClass: 和 -isMemberOfClass: 方法檢查對(duì)象是否存在于指定的類的繼承體系中(是否是其子類或者父類或者當(dāng)前類的成員變量)；

-respondsToSelector: 檢查對(duì)象能否響應(yīng)指定的消息；

-conformsToProtocol:檢查對(duì)象是否實(shí)現(xiàn)了指定協(xié)議類的方法；

-methodForSelector: 返回指定方法實(shí)現(xiàn)的地址。

常見(jiàn)的一個(gè)例子：

id 和 void * 轉(zhuǎn)換API：(__bridge void *)

在 ARC 有效時(shí)，通過(guò) (__bridge void *)轉(zhuǎn)換 id 和 void * 就能夠相互轉(zhuǎn)換。為什么轉(zhuǎn)換？這是因?yàn)閛bjc_getAssociatedObject的參數(shù)要求的。先看一下它的API：

可以知道，這個(gè)“屬性名”的key是必須是一個(gè)void *類型的參數(shù)。所以需要轉(zhuǎn)換。關(guān)于這個(gè)轉(zhuǎn)換，下面給一個(gè)轉(zhuǎn)換的例子：

4. 運(yùn)行時(shí)實(shí)戰(zhàn)指南

上面的API不是提供大家背的，而是用來(lái)查閱的，當(dāng)你要用到的時(shí)候查閱。因?yàn)檫@些原理和API光看沒(méi)用，需要實(shí)戰(zhàn)之后再回過(guò)頭來(lái)查閱和理解。

看完上述內(nèi)容，你們對(duì)iOS開(kāi)發(fā)中runtime的基本知識(shí)有哪些有進(jìn)一步的了解嗎？如果還想了解更多知識(shí)或者相關(guān)內(nèi)容，請(qǐng)關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道，感謝大家的支持。

當(dāng)前名稱：iOS開(kāi)發(fā)中runtime的基本知識(shí)有哪些
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