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[操作系统]Runtime 全方位装逼指南

Runtime是什么?见名知意,其概念无非就是“因为 Objective-C 是一门动态语言,所以它需要一个运行时系统……这就是 Runtime 系统”云云。对博主这种菜鸟而言,Runtime 在实际开发中,其实就是一组C语言的函数。胡适说:“多研究些问题,少谈些主义”,云山雾罩的概念听多了总是容易头晕,接下来我们直接从代码入手学习 Runtime。

1、由objc_msgSend说开去

Objective-C 中的方法调用,不是简单的方法调用,而是发送消息,也就是说,其实 [receiver message] 会被编译器转化为: objc_msgSend(receiver, selector),何以证明?新建一个类 MyClass,其.m文件如下:

1234567891011#import "MyClass.h"@implementation MyClass-(instancetype)init{    if (self = [super init]) {        [self showUserName];    }    return self;}-(void)showUserName{    NSLog(@"Dave Ping");}

使用 clang 重写命令:

1$ clang -rewrite-objc MyClass.m

然后在同一目录下会多出一个 MyClass.cpp 文件,双击打开,可以看到 init 方法已经被编译器转化为下面这样:

123456static instancetype _I_MyClass_init(MyClass * self, SEL _cmd) {    if (self = ((MyClass *(*)(__rw_objc_super *, SEL))(void *)objc_msgSendSuper)((__rw_objc_super){(id)self, (id)class_getSuperclass(objc_getClass("MyClass"))}, sel_registerName("init"))) {        ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("showUserName"));    }    return self;}

我们要找的就是它:

1((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("showUserName"))

objc_msgSend 函数被定义在 objc/message.h 目录下,其函数原型是酱紫滴:

1OBJC_EXPORT void objc_msgSend(void /* id self, SEL op, ... */ )

该函数有两个参数,一个 id 类型,一个 SEL 类型。

2、SEL

SEL 被定义在 objc/objc.h 目录下:

1typedef struct objc_selector *SEL;

其实它就是个映射到方法的C字符串,你可以用 Objective-C 编译器命令 @selector() 或者 Runtime 系统的 sel_registerName 函数来获得一个 SEL 类型的方法选择器。

3、id

与 SEL 一样,id 也被定义在 objc/objc.h 目录下:

1typedef struct objc_object *id;

id 是一个结构体指针类型,它可以指向 Objective-C 中的任何对象。objc_object 结构体定义如下:

1struct objc_object { Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;};

我们通常所说的对象,就长这个样子,这个结构体只有一个成员变量 isa,对象可以通过 isa 指针找到其所属的类。isa 是一个 Class 类型的成员变量,那么 Class 又是什么呢?

4、Class

Class 也是一个结构体指针类型:

1typedef struct objc_class *Class;

objc_class 结构体是酱紫滴:

1234567891011121314struct objc_class {    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;#if !__OBJC2__    Class super_class   OBJC2_UNAVAILABLE;    const char *name   OBJC2_UNAVAILABLE;    long version     OBJC2_UNAVAILABLE;    long info     OBJC2_UNAVAILABLE;    long instance_size   OBJC2_UNAVAILABLE;    struct objc_ivar_list *ivars  OBJC2_UNAVAILABLE;    struct objc_method_list **methodLists  OBJC2_UNAVAILABLE;    struct objc_cache *cache    OBJC2_UNAVAILABLE;    struct objc_protocol_list *protocols   OBJC2_UNAVAILABLE;#endif} OBJC2_UNAVAILABLE;

我们通常说的类就长这样子:

  • ·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。

说到这里有点乱了,我们来捋一下,当我们调用一个方法时,其运行过程大致如下:

首先,Runtime 系统会把方法调用转化为消息发送,即 objc_msgSend,并且把方法的调用者,和方法选择器,当做参数传递过去.

此时,方法的调用者会通过 isa 指针来找到其所属的类,然后在 cache 或者 methodLists 中查找该方法,找得到就跳到对应的方法去执行。

如果在类中没有找到该方法,则通过 super_class 往上一级超类查找(如果一直找到 NSObject 都没有找到该方法的话,这种情况,我们放到后面消息转发的时候再说)。

前面我们说 methodLists 指向该类的实例方法列表,实例方法即-方法,那么类方法(+方法)存储在哪儿呢?类方法被存储在元类中,Class 通过 isa 指针即可找到其所属的元类。

1396900-1b94ff9a3905ba68.jpg

上图实线是 super_class 指针,虚线是 isa 指针。根元类的超类是NSObject,而 isa 指向了自己。NSObject 的超类为 nil,也就是它没有超类。

5、使用objc_msgSend

前面我们使用 clang 重写命令,看到 Runtime 是如何将方法调用转化为消息发送的。我们也可以依样画葫芦,来学习使用一下 objc_msgSend。新建一个类 TestClass,添加如下方法:

123456789101112131415-(void)showAge{    NSLog(@"24");}-(void)showName:(NSString *)aName{    NSLog(@"name is %@",aName);}-(void)showSizeWithWidth:(float)aWidth andHeight:(float)aHeight{    NSLog(@"size is %.2f * %.2f",aWidth, aHeight);}-(float)getHeight{    return 187.5f;}-(NSString *)getInfo{    return @"Hi, my name is Dave Ping, I'm twenty-four years old in the year, I like apple, nice to meet you.";}

我们可以像下面这样,使用 objc_msgSend 依次调用这些方法:

12345678TestClass *objct = [[TestClass alloc] init];((void (*) (id, SEL)) objc_msgSend) (objct, sel_registerName("showAge"));((void (*) (id, SEL, NSString *)) objc_msgSend) (objct, sel_registerName("showName:"), @"Dave Ping");((void (*) (id, SEL, float, float)) objc_msgSend) (objct, sel_registerName("showSizeWithWidth:andHeight:"), 110.5f, 200.0f);float f = ((float (*) (id, SEL)) objc_msgSend_fpret) (objct, sel_registerName("getHeight"));NSLog(@"height is %.2f",f);NSString *info = ((NSString* (*) (id, SEL)) objc_msgSend) (objct, sel_registerName("getInfo"));NSLog(@"%@",info);

也许你已经注意到,objc_msgSend 在使用时都被强制转换了一下,这是因为 objc_msgSend 函数可以hold住各种不同的返回值以及多个参数,但默认情况下是没有参数和返回值的。如果我们把调用 showAge 方法改成这样:

1objc_msgSend(objct, sel_registerName("showAge"));

Xcode 就会报错:

1Too many arguments to function call, expected 0, have 2.

完整的 objc_msgSend 使用代码在这里。

6、objc_msgSendSuper

编译器会根据情况在 objc_msgSend,objc_msgSend_stret,objc_msgSendSuper,objc_msgSendSuper_stret 或 objc_msgSend_fpret 五个方法中选择一个来调用。如果消息是传递给超类,那么会调用 objc_msgSendSuper 方法,如果消息返回值是数据结构,就会调用 objc_msgSendSuper_stret 方法,如果返回值是浮点数,则调用 objc_msgSend_fpret 方法。

这里我们重点说一下 objc_msgSendSuper,objc_msgSendSuper 函数原型如下:

1OBJC_EXPORT void objc_msgSendSuper(void /* struct objc_super *super, SEL op, ... */ )

当我们调用 [super selector] 时,Runtime 会调用 objc_msgSendSuper 方法,objc_msgSendSuper 方法有两个参数,super 和 op,Runtime 会把 selector 方法选择器赋值给 op。而 super 是一个 objc_super 结构体指针,objc_super 结构体定义如下:

123456789101112struct objc_super {    /// Specifies an instance of a class.    __unsafe_unretained id receiver;    /// Specifies the particular superclass of the instance to message.#if !defined(__cplusplus)  &&  !__OBJC2__    /* For compatibility with old objc-runtime.h header */    __unsafe_unretained Class class;#else    __unsafe_unretained Class super_class;#endif    /* super_class is the first class to search */};

Runtime 会创建一个 objc_spuer 结构体变量,将其地址作为参数(super)传递给 objc_msgSendSuper,并且将 self 赋值给 receiver:super—>receiver=self。

举个栗子,问下面的代码输出什么:

123456789101112@implementation Son : Father- (id)init{    self = [super init];    if (self)    {        NSLog(@"%@", NSStringFromClass([self class]));        NSLog(@"%@", NSStringFromClass([super class]));    }    return self;}@end

答案是全部输出 Son。

使用 clang 重写命令,发现上述代码被转化为:

12NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_gm_0jk35cwn1d3326x0061qym280000gn_T_main_a5cecc_mi_0, NSStringFromClass(((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("class"))));NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_gm_0jk35cwn1d3326x0061qym280000gn_T_main_a5cecc_mi_1, NSStringFromClass(((Class (*)(__rw_objc_super *, SEL))(void *)objc_msgSendSuper)((__rw_objc_super){ (id)self, (id)class_getSuperclass(objc_getClass("Son")) }, sel_registerName("class"))));

当调用 [super class] 时,会转换成 objc_msgSendSuper 函数:

  • 第一步先构造 objc_super 结构体,结构体第一个成员就是 self。第二个成员是 (id)class_getSuperclass(objc_getClass(“Son”)).

  • 第二步是去 Father 这个类里去找 - (Class)class,没有,然后去 NSObject 类去找,找到了。最后内部是使用 objc_msgSend(objc_super->receiver, @selector(class)) 去调用,此时已经和 [self class] 调用相同了,所以两个输出结果都是 Son。

7、对象关联

对象关联允许开发者对已经存在的类在 Category 中添加自定义的属性:

1OBJC_EXPORT void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy) __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_3_1);

·object 是源对象

·value 是被关联的对象

·key 是关联的键,objc_getAssociatedObject 方法通过不同的 key 即可取出对应的被关联对象

·policy 是一个枚举值,表示关联对象的行为,从命名就能看出各个枚举值的含义:

1234567891011typedef OBJC_ENUM(uintptr_t, objc_AssociationPolicy) {    OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN = 0,           /**< Specifies a weak reference to the associated object. */    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC = 1, /**< Specifies a strong reference to the associated object.                                            *   The association is not made atomically. */    OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC = 3,   /**< Specifies that the associated object is copied.                                            *   The association is not made atomically. */    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN = 01401,       /**< Specifies a strong reference to the associated object.                                            *   The association is made atomically. */    OBJC_ASSOCIATION_COPY = 01403          /**< Specifies that the associated object is copied.                                            *   The association is made atomically. */};

要取出被关联的对象使用 objc_getAssociatedObject 方法即可,要删除一个被关联的对象,使用 objc_setAssociatedObject 方法将对应的 key 设置成 nil 即可:

1objc_setAssociatedObject(self, associatedKey, nil, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);

objc_removeAssociatedObjects 方法将会移除源对象中所有的关联对象.

举个栗子,假如我们要给 UIButton 添加一个监听单击事件的 block 属性,新建 UIButton 的 Category,其.m文件如下:

1234567891011121314151617181920#import "UIButton+ClickBlock.h"#import static const void *associatedKey = "associatedKey";@implementation UIButton (ClickBlock)//Category中的属性,只会生成setter和getter方法,不会生成成员变量-(void)setClick:(clickBlock)click{    objc_setAssociatedObject(self, associatedKey, click, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);    [self removeTarget:self action:@selector(buttonClick) forControlEvents:UIControlEventTouchUpInside];    if (click) {        [self addTarget:self action:@selector(buttonClick) forControlEvents:UIControlEventTouchUpInside];    }}-(clickBlock)click{    return objc_getAssociatedObject(self, associatedKey);}-(void)buttonClick{    if (self.click) {        self.click();    }}@end

然后在代码中,就可以使用 UIButton 的属性来监听单击事件了:

123456UIButton *button = [UIButton buttonWithType:UIButtonTypeCustom];button.frame = self.view.bounds;[self.view addSubview:button];button.click = ^{    NSLog(@"buttonClicked");};

完整的对象关联代码点这里。

8、自动归档

博主在学习 Runtime 之前,归档的时候是酱紫写的:

1234567891011- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder{    [aCoder encodeObject:self.name forKey:@"name"];    [aCoder encodeObject:self.ID forKey:@"ID"];}- (id)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder{    if (self = [super init]) {        self.ID = [aDecoder decodeObjectForKey:@"ID"];        self.name = [aDecoder decodeObjectForKey:@"name"];    }    return self;}

那么问题来了,如果当前 Model 有100个属性的话,就需要写100行这种代码:

1[aCoder encodeObject:self.name forKey:@"name"];

想想都头疼,通过 Runtime 我们就可以轻松解决这个问题:

1.使用 class_copyIvarList 方法获取当前 Model 的所有成员变量.

2.使用 ivar_getName 方法获取成员变量的名称.

3.通过 KVC 来读取 Model 的属性值(encodeWithCoder:),以及给 Model 的属性赋值(initWithCoder:).

举个栗子,新建一个 Model 类,其.m文件如下:

12345678910111213141516171819202122232425262728293031#import "TestModel.h"#import #import @implementation TestModel- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder{    unsigned int outCount = 0;    Ivar *vars = class_copyIvarList([self class], &outCount);    for (int i = 0; i < outCount; i ++) {        Ivar var = vars[i];        const char *name = ivar_getName(var);        NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name];        // 注意kvc的特性是,如果能找到key这个属性的setter方法,则调用setter方法        // 如果找不到setter方法,则查找成员变量key或者成员变量_key,并且为其赋值        // 所以这里不需要再另外处理成员变量名称的“_”前缀        id value = [self valueForKey:key];        [aCoder encodeObject:value forKey:key];    }}- (nullable instancetype)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder{    if (self = [super init]) {        unsigned int outCount = 0;        Ivar *vars = class_copyIvarList([self class], &outCount);        for (int i = 0; i < outCount; i ++) {            Ivar var = vars[i];            const char *name = ivar_getName(var);            NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name];            id value = [aDecoder decodeObjectForKey:key];            [self setValue:value forKey:key];        }    }    return self;}@end

完整的自动归档代码在这里。

9、字典与模型互转

最开始博主是这样用字典给 Model 赋值的:

1234567-(instancetype)initWithDictionary:(NSDictionary *)dict{    if (self = [super init]) {        self.age = dict[@"age"];        self.name = dict[@"name"];    }    return self;}

可想而知,遇到的问题跟归档时候一样(后来使用MJExtension),这里我们稍微来学习一下其中原理,字典转模型的时候:

1.根据字典的 key 生成 setter 方法

2.使用 objc_msgSend 调用 setter 方法为 Model 的属性赋值(或者 KVC)

模型转字典的时候:

1.调用 class_copyPropertyList 方法获取当前 Model 的所有属性

2.调用 property_getName 获取属性名称

3.根据属性名称生成 getter 方法

4.使用 objc_msgSend 调用 getter 方法获取属性值(或者 KVC)

代码如下:

12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152#import "NSObject+KeyValues.h"#import #import @implementation NSObject (KeyValues)//字典转模型+(id)objectWithKeyValues:(NSDictionary *)aDictionary{    id objc = [[self alloc] init];    for (NSString *key in aDictionary.allKeys) {        id value = aDictionary[key];        /*判断当前属性是不是Model*/        objc_property_t property = class_getProperty(self, key.UTF8String);        unsigned int outCount = 0;        objc_property_attribute_t *attributeList = property_copyAttributeList(property, &outCount);        objc_property_attribute_t attribute = attributeList[0];        NSString *typeString = [NSString stringWithUTF8String:attribute.value];        if ([typeString isEqualToString:@"@\"TestModel\""]) {            value = [self objectWithKeyValues:value];        }        /**********************/        //生成setter方法,并用objc_msgSend调用        NSString *methodName = [NSString stringWithFormat:@"set%@%@:",[key substringToIndex:1].uppercaseString,[key substringFromIndex:1]];        SEL setter = sel_registerName(methodName.UTF8String);        if ([objc respondsToSelector:setter]) {            ((void (*) (id,SEL,id)) objc_msgSend) (objc,setter,value);        }    }    return objc;}//模型转字典-(NSDictionary *)keyValuesWithObject{    unsigned int outCount = 0;    objc_property_t *propertyList = class_copyPropertyList([self class], &outCount);    NSMutableDictionary *dict = [NSMutableDictionary dictionary];    for (int i = 0; i < outCount; i ++) {        objc_property_t property = propertyList[i];        //生成getter方法,并用objc_msgSend调用        const char *propertyName = property_getName(property);        SEL getter = sel_registerName(propertyName);        if ([self respondsToSelector:getter]) {            id value = ((id (*) (id,SEL)) objc_msgSend) (self,getter);            /*判断当前属性是不是Model*/            if ([value isKindOfClass:[self class]] && value) {                value = [value keyValuesWithObject];            }            /**********************/            if (value) {                NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:propertyName];                [dict setObject:value forKey:key];            }        }    }    return dict;}@end

完整代码在这里。

10、动态方法解析

前面我们留下了一点东西没说,那就是如果某个对象调用了不存在的方法时会怎么样,一般情况下程序会crash,错误信息类似下面这样:

unrecognized selector sent to instance 0x7fd0a141afd0

但是在程序crash之前,Runtime 会给我们动态方法解析的机会,消息发送的步骤大致如下:

1.检测这个 selector 是不是要忽略的。比如 Mac OS X 开发,有了垃圾回收就不理会 retain,release 这些函数了

2.检测这个 target 是不是 nil 对象。ObjC 的特性是允许对一个 nil 对象执行任何一个方法不会 Crash,因为会被忽略掉

3.如果上面两个都过了,那就开始查找这个类的 IMP,先从 cache 里面找,完了找得到就跳到对应的函数去执行

如果 cache 找不到就找一下方法分发表

4.如果分发表找不到就到超类的分发表去找,一直找,直到找到NSObject类为止

如果还找不到就要开始进入消息转发了,消息转发的大致过程如图:

1396900-19c5eb4913f49e33.jpg

1.进入 resolveInstanceMethod: 方法,指定是否动态添加方法。若返回NO,则进入下一步,若返回YES,则通过 class_addMethod 函数动态地添加方法,消息得到处理,此流程完毕。

2.resolveInstanceMethod: 方法返回 NO 时,就会进入 forwardingTargetForSelector: 方法,这是 Runtime 给我们的第二次机会,用于指定哪个对象响应这个 selector。返回nil,进入下一步,返回某个对象,则会调用该对象的方法。

3.若 forwardingTargetForSelector: 返回的是nil,则我们首先要通过 methodSignatureForSelector: 来指定方法签名,返回nil,表示不处理,若返回方法签名,则会进入下一步。

4.当第 methodSignatureForSelector: 方法返回方法签名后,就会调用 forwardInvocation: 方法,我们可以通过 anInvocation 对象做很多处理,比如修改实现方法,修改响应对象等。

 

参考链接:

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