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教你深刻理解Runtime机制_platformruntimemechanisms

platformruntimemechanisms

教你深刻理解Runtime机制

什么是Runtime?

概念

Objective-C是基于C语言加入面向对象特性和消息转发机制的动态语言,这就是说它不仅需要一个编译器,还需要Runtime系统动态的创建类和对象,进行消息发送和转发。关于Runtime概念众说纷纭。理解Runtime,我们从源码开始…. 源码介绍 Runtime在实际开发中,其实就是一组C语言函数。

官方介绍:官方文档

The Objective-C language defers as many decisions as it can from compile time and link time to runtime. Whenever possible, it does things dynamically. This means that the language requires not just a compiler, but also a runtime system to execute the compiled code. The runtime system acts as a kind of operating system for the Objective-C language; it’s what makes the language work.

怎么理解这句话呢?尽量将决定放到运行的时候,而不是在编译和链接过程…如图所示
9fLXqO.png

Clang 是什么鬼?

Clang是一个C语言、C++、Objective-C、Objective-C++语言的轻量级编译器

官方介绍:官方文档

clang is a C, C++, and Objective-C compiler which encompasses preprocessing, parsing, optimization, code generation, assembly, and linking.

源代码:main.m

//
//  main.m
//  YJDoctor
//
//  Created by YJHou on 2015/10/25.
//  Copyright © 2015年 houmanager@hotmail.com. All rights reserved.
//

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
        NSLog(@"-->%@", obj);
    }
    return 0;
}
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编译器:

clang -rewrite-objc main.m
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生成了mian.cpp文件,打开查看源码:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 

        NSObject *obj = ((NSObject *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((NSObject *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_dr_k2drvnh548q5293brg9wmgzc0000gn_T_main_2a142f_mi_0, obj);
    }
    return 0;
}
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似乎看到了Runtime的影子:objc_msgSend、objc_getClass、sel_registerName…

寻找Runtime的来源

打开资源地址:/usr/include/objc 会发现如下文件:

9fX2HU.png

为什么要熟悉掌握Runtime机制?

Runtime 在实际开发中,会经常用到吗?这个答案是肯定的。但是Runtime用的好不好在于理解程度,理解的好代码质量高效实用;用的不好,容易自己造坑。在实际开发中,我并不是推荐大家熟悉灵活的运用底层的东西,而是熟悉知道底层的运行机制。要不已经封装好看又好用的API干啥使。

Runtime 具体都干啥使用?

比如:动态添加属性、动态添加方法、方法交换、字典模型转换

面试经历: 曾经一次面试,面试官说类别能不能设置属性?咋一听,条件反射类别还能设置属性,什么鬼,后来一想面试官问的是怎么给类别添加属性吧,用词准确很重要,添加和设置概念是不同的。面试官马上更正是添加不是设置。

深刻理解Runtime的底层原理是什么样子的?

首先了解Runtime的数据结构

打开runtime.h会看到数据结构如图所示:

9hCZwt.png

  • id : typedef struct objc_object *id;
  • SEL : typedef struct objc_selector *SEL;
  • Class : Class 也有一个 isa 指针,指向其所属的元类(meta)。
  • super_class:指向其超类。
  • name:是类名。
  • version:是类的版本信息。
  • info:是类的详情。
  • instance_size:是该类的实例对象的大小。
  • ivars:指向该类的成员变量列表。
  • methodLists:指向该类的实例方法列表,它将方法选择器和方法实现地址联系起来。methodLists 是指向 ·objc_method_list 指针的指针,也就是说可以动态修改
  • methodLists 的值来添加成员方法,这也是 Category 实现的原理,同样解释了 Category 不能添加属性的原因。
  • cache:Runtime 系统会把被调用的方法存到 cache 中(理论上讲一个方法如果被调用,那么它有可能今后还会被调用),下次查找的时候效率更高。
  • protocols:指向该类的协议列表(对象方法列表的扩展)。

理解底层原理要从这三张图说起:

Messaging 官方介绍

9fz4Z6.png

  1. 刚开始clang mian.m文件可以看出,Runtime System 会将方法调用转化为消息发送(objc_msgSend), 并把方法的调用者和方法选择器当做参数传递。
  2. 此时,方法调用者会通过isa指针来找到其所属的类,然后在cache或者methodLists中查找该方法,如果能找到就跳到对应的方法(IMP)中执行。
  3. 如果在类中没有找到该方法,会检查本类是否有动态加载的方法来处理该消息,如果还是没有,通过super_class网上一级父类查找, 如果一直到NSObject都没找到该方法的话,这种情况,就该消息转发上场了。
  4. 从数据结构中看到,methodLists 指向该类的实例方法列表,那么类方法在哪里?类方法存储在元类中,Class通过isa指针即可找到所属的元类。

Dynamic Method Resolution 官方介绍

9h9cRg.png

从有图可以看出,ObjC 类本身同时也是一个对象,为了处理类和对象的关系,runtime 库创建了一种叫做元类 (Meta Class) 的东西,类对象所属类型就叫做元类,它用来表述类对象本身所具备的元数据。类方法就定义于此处,因为这些方法可以理解成类对象的实例方法。

每个类仅有一个类对象,而每个类对象仅有一个与之相关的元类。当你发出一个类似 [NSObject alloc] 的消息时,你事实上是把这个消息发给了一个类对象 (Class Object) ,这个类对象必须是一个元类的实例,而这个元类同时也是一个根元类 (root meta class) 的实例。所有的元类最终都指向根元类为其超类。所有的元类的方法列表都有能够响应消息的类方法。所以当 [NSObject alloc] 这条消息发给类对象的时候,objc_msgSend() 会去它的元类里面去查找能够响应消息的方法,如果找到了,然后对这个类对象执行方法调用。

在Runtime System没有在本类的method_lists没有找到匹配的实现方法时,我们可以动态的添加一个方法,这是开始进行消息转发(messaging forward)前的第一阶段,例如我们用@dynamic关键字在类的实现文件中修饰一个属性:这表明我们会为这个属性动态提供存取方法,编译器不会默认为我们生成setPropertyName:和propertyName方法,而需要我们动态提供。

同样我们可以通过分别重载resolveInstanceMethod:和resolveClassMethod:方法分别添加实例方法实现和类方法实现。因为当 Runtime 系统在Cache和方法分发表中来给程序员一次动态添加方法实现的机会。我们需要用class_addMethod函数完成向特定类添加特定方法实现的操作:

Message Forwarding 官方介绍

9h9TiT.jpg

消息转发分为两大阶段。

  • 第一阶段先征询接收者,所属的类,看其是否能动态添加方法,以处理当前这个“未知的选择子”,这叫做“动态方法解析”。
  • 第二阶段涉及“完整的消息转发机制(full forwarding mechanism)”如果运行期系统已经执行完第一阶段,此时,运行期系统会请求我接收者以其它手段来处理消息。可以细分3小步。

    1.首先查找有没有replacement receiver进行处理。若无;

    2.运行期系统把Selector相关信息封装到NSInvocation对象中;

    3.再给一次机会,若依旧未处理则让NSObject调用doNotReconizeSelector:

具体看代码所示:

9hAfL4.md.png

9hA4eJ.png

由此我们可以看到,object_getClass返回的其实是class的metaClass,即Class这个类对象的类,这个概念有点绕。梳理一下:Person这么一个类(0x1000f53c8),它的isa指针指向其元类(地址0x1000f53f0),这个元类的isa指针指向基类NSObject的元类,即根元类(0x1a7919ec8),再递进一层可以发现,根元类的isa指针指向自己,这样就形成了一个完整的闭环。

另外objc_getClass 是什么鬼?

9hECfP.md.png

9hEFl8.png

由此可知objc_getClass方法只是单纯地返回了Class,而非isa指针指向的Class。

Runtime的应用场景有什么?

  • 实现第一个场景:跟踪程序每个ViewController展示给用户的次数,可以通过Method Swizzling替换ViewDidAppear初始方法。创建一个UIViewController的分类,重写自定义的ViewDidAppear方法,并在其+load方法中实现ViewDidAppear方法的交换
  • 开发中常需要在不改变某个类的前提下为其添加一个新的属性,尤其是为系统的类添加新的属性,这个时候就可以利用Runtime的关联对象(Associated Objects)来为分类添加新的属性了
  • 三实现字典的模型和自动转换,优秀的JSON转模型第三方库JSONModel、YYModel等都利用runtime对属性进行获取,赋值等操作,要比KVC进行模型转换更加强大,更有效率。阅读YYModel的源码可以看出,YY大神对NSObject的内容进行了又一次封装,添加了许多描述内容。其中YYClassInfo是对Class进行了再次封装,而YYClassIvarInfo、YYClassMethodInfo、YYClPropertyInfo分别是对Class的Ivar、Method和property进行了封装和描述。在提取Class的相关信息时都运用了Runtime。
  • JSPatch替换已有的OC方法实行,具体内容请参看相关文档。
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