Runtime
2013 年 11 月 3 日
Objective-C的动态性是由Runtime API来支撑的，Runtime API提供的接口基本都是C语言的，源代码由C\C++\汇编语言编写。
isa详解
在arm64架构之前，isa就是一个普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址。从arm64架构开始，对isa进行了优化，变成了一个共用体（union）结构isa_t，还使用位域来存储更多的信息。
//arm64架构下，isa_t的结构参考如下:
union isa_t {
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
Class cls;
uintptr_t bits;
struct {
uintptr_t nonpointer : 1;
uintptr_t has_assoc : 1;
uintptr_t has_cxx_dtor : 1;
uintptr_t shiftcls : 33;
uintptr_t magic : 6;
uintptr_t weakly_referenced : 1;
uintptr_t deallocating : 1;
uintptr_t has_sidetable_rc : 1;
uintptr_t extra_rc : 19
};
};
字段含义如下：
- nonpointer: 0代表普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址; 1代表优化过，使用位域存储更多的信息;
- has_assoc: 是否有设置过关联对象，如果没有，释放时会更快;
- has_cxx_dtor: 是否有C++的析构函数（.cxx_destruct），如果没有，释放时会更快;
- shiftcls: 存储着Class、Meta-Class对象的内存地址信息;
- magic: 用于在调试时分辨对象是否未完成初始化;
- weakly_referenced: 是否有被弱引用指向过，如果没有，释放时会更快;
- deallocating: 对象是否正在释放;
- extra_rc: 里面存储的值是引用计数器减1;
- has_sidetable_rc: 引用计数器是否过大无法存储在isa中,如果为1，那么引用计数会存储在一个叫SideTable的类的属性中;
arm64架构下取出shiftcls的掩码ISA_MASK为0x0000000ffffffff8ULL，由此可见，class对象和meta-class对象的地址值最后3为也都是0.
Class结构
Class本质上为一个结构体类型：
typedef struct objc_class *Class;
与该结构体相关的主要定义如下：
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
//以下省略
}
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache; // 方法缓存
class_data_bits_t bits; // 类的具体信息
class_rw_t *data() {
return bits.data();
}
//以下省略
}
struct class_rw_t {
// Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
uint32_t flags;
uint32_t version;
const class_ro_t *ro;
method_array_t methods; //方法列表
property_array_t properties; //属性信息
protocol_array_t protocols; //协议列表
}
struct class_ro_t {
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize; //instance对象占用的内存大小
#ifdef __LP64__
uint32_t reserved;
#endif
const uint8_t * ivarLayout;
const char * name; //类名
method_list_t * baseMethodList;
protocol_list_t * baseProtocols;
const ivar_list_t * ivars; //成员变量列表
const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
}
class_rw_t里面的methods、properties、protocols是二维数组，是可读可写的，包含了类的初始内容、分类的内容。
class_ro_t里面的baseMethodList、baseProtocols、ivars、baseProperties是一维数组，是只读的，包含了类的初始内容。
method_t是对方法、函数的封装:
struct method_t {
SEL name; //函数名
const char *types; //编码（返回值类型，参数类型）
MethodListIMP imp; //指向函数的指针（函数地址）
};
IMP代表函数的具体实现：
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...);
SEL代表方法或函数名，一般叫做选择器，底层结构跟char *类似:
- 可以通过@selector()和sel_registerName()获得；
- 可以通过sel_getName()和NSStringFromSelector()转成字符串；
- 不同类中相同名字的方法，所对应的方法选择器是相同的；
typedef struct objc_selector *SEL;
types包含了函数返回值、参数编码的字符串。 相关介绍可以参考： Type Encodings 。
方法缓存
Class内部结构中有个方法缓存（cache_t），用散列表（哈希表）来缓存曾经调用过的方法，可以提高方法的查找速度。
struct cache_t {
struct bucket_t *_buckets; //散列表
mask_t _mask; //散列表长度-1
mask_t _occupied; //已经缓存的方法数量
}
struct bucket_t {
uintptr_t _imp; //函数地址
SEL _sel; //缓存的key
}
方法调用
OC中的方法调用，其实都是转换为objc_msgSend函数的调用。objc_msgSend的执行流程可以分为3大阶段：
- 消息发送
- 动态方法解析
- 消息转发
objc_msgSend源码导读
消息发送
从源码归纳出如下流程：
动态方法解析
假如在消息发送过程中，没有查找到方法，那么就会进入动态方法解析。动态方法解析就是在运行时临时添加一个方法实现，来进行消息的处理。
开发者可以实现以下方法，来动态添加方法实现:
- resolveInstanceMethod:
- resolveClassMethod:
下面是代码示例：
void notFound_eat(id self, SEL _cmd)
{
// implementation ....
NSLog(@"%@ - %@", self, NSStringFromSelector(_cmd));
NSLog(@"current in method %s", __func__);
}
//对象方法解析
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
if (sel == @selector(eat)) {
// 注意添加到self，此处即类对象
class_addMethod(self, sel, (IMP)notFound_eat, "v16@0:8");
return YES;
}
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
//类方法解析
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel
{
if (sel == @selector(learn)) {
// 第一个参数是object_getClass(self)
class_addMethod(object_getClass(self), sel, (IMP)notFound_learn, "v16@0:8");
return YES;
}
return [super resolveClassMethod:sel];
}
下面是class_addMethod添加的另一种方式：
- (void)notFound_eat
{
// implementation ....
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
if (sel == @selector(test)) {
// 获取其他方法
Method method = class_getInstanceMethod(self, @selector(notFound_eat));
// 动态添加test方法的实现
class_addMethod(self, sel,
method_getImplementation(method),
method_getTypeEncoding(method));
// 返回YES代表有动态添加方法
return YES;
}
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
动态解析过后，会重新进入到“消息发送”的流程，“从receiverClass的cache中查找方法”这一步开始执行。
在动态方法解析完成后，会将标识tridResolver设置为YES，表示已经进行过动态解析，避免消息发送和动态方法解析之间出现死循环。
动态方法解析最佳的一个实践用例就是@dynamic的实现。
消息转发
下面是消息转发阶段的流程图：
super
super调用底层会转换为objc_msgSendSuper2()函数调用， 相关定义及注释如下：
/**
* Sends a message with a simple return value to the superclass of an instance of a class.
*
* @param super A pointer to an \c objc_super data structure. Pass values identifying the
* context the message was sent to, including the instance of the class that is to receive the
* message and the superclass at which to start searching for the method implementation.
* @param op A pointer of type SEL. Pass the selector of the method that will handle the message.
* @param ...
* A variable argument list containing the arguments to the method.
*
* @return The return value of the method identified by \e op.
*
* @see objc_msgSend
*/
id objc_msgSendSuper(struct objc_super *super, SEL op, ...)
struct objc_super2 {
id receiver; //消息接收者
Class cls; // the class to search，消息接收者的父类
}
使用super调用时，消息的接收者仍然是self，只是会从父类中开始寻找方法。
Runtime API
类
动态创建一个类（参数：父类，类名，额外的内存空间） Class objc_allocateClassPair(Class superclass, const char *name, size_t extraBytes) 注册一个类（要在类注册之前添加成员变量） void objc_registerClassPair(Class cls) 销毁一个类 void objc_disposeClassPair(Class cls) 获取isa指向的Class Class object_getClass(id obj) 设置isa指向的Class Class object_setClass(id obj, Class cls) 判断一个OC对象是否为Class BOOL object_isClass(id obj) 判断一个Class是否为元类 BOOL class_isMetaClass(Class cls) 获取父类 Class class_getSuperclass(Class cls)
成员变量
获取一个实例变量信息 Ivar class_getInstanceVariable(Class cls, const char *name) 拷贝实例变量列表（最后需要调用free释放） Ivar *class_copyIvarList(Class cls, unsigned int *outCount) 设置和获取成员变量的值 void object_setIvar(id obj, Ivar ivar, id value) id object_getIvar(id obj, Ivar ivar) 动态添加成员变量（已经注册的类是不能动态添加成员变量的） BOOL class_addIvar(Class cls, const char * name, size_t size, uint8_t alignment, const char * types) 获取成员变量的相关信息 const char *ivar_getName(Ivar v) const char *ivar_getTypeEncoding(Ivar v)
属性
获取一个属性
objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name)
拷贝属性列表（最后需要调用free释放）
objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount)
动态添加属性
BOOL class_addProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes,
unsigned int attributeCount)
动态替换属性
void class_replaceProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes,
unsigned int attributeCount)
获取属性的一些信息
const char *property_getName(objc_property_t property)
const char *property_getAttributes(objc_property_t property)
方法
获得一个实例方法、类方法 Method class_getInstanceMethod(Class cls, SEL name) Method class_getClassMethod(Class cls, SEL name) 方法实现相关操作 IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL name) IMP method_setImplementation(Method m, IMP imp) void method_exchangeImplementations(Method m1, Method m2) 拷贝方法列表（最后需要调用free释放） Method *class_copyMethodList(Class cls, unsigned int *outCount) 动态添加方法 BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types) 动态替换方法 IMP class_replaceMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types) 获取方法的相关信息（带有copy的需要调用free去释放） SEL method_getName(Method m) IMP method_getImplementation(Method m) const char *method_getTypeEncoding(Method m) unsigned int method_getNumberOfArguments(Method m) char *method_copyReturnType(Method m) char *method_copyArgumentType(Method m, unsigned int index) 选择器相关 const char *sel_getName(SEL sel) SEL sel_registerName(const char *str) 用block作为方法实现 IMP imp_implementationWithBlock(id block) id imp_getBlock(IMP anImp) BOOL imp_removeBlock(IMP anImp)
About The Author
