Objective-C（十）Category

本文是Objective-C系列的第10篇，主要讲述了category的实现原理和相关特性。

• Objective-C（七）对象内存分析
• Objective-C（八）对象的本质及分类
• Objective-C（九）KVC 与 KVO
• Objective-C（十）Category
• Objective-C（十一）load 和 initialize
• Objective-C（十二）关联对象

1、概述

1.1 category简介

category是Objective-C 2.0以后添加的语言特性，分类、类别其实都是指的category。category的主要做用是为已经存在的类添加方法。

能够把类的实现分开在几个不一样的文件里面。这样作有几个显而易见的好处。

• 把不一样的功能组织到不一样的category里，减小单个文件的体积，且易于维护；
• 能够由多个开发者共同完成一个类；
• 能够按需加载想要的category；
• 声明私有方法；

不过除了apple推荐的使用场景，还衍生出了category的其余几个使用场景：

1. 模拟多继承（另外能够模拟多继承的还有protocol）
2. 把framework的私有方法公开

1.2 extension

​ extension被开发者称之为扩展、延展、匿名分类。extension看起来很像一个匿名的category，可是extension和category几乎彻底是两个东西。

​ 和category不一样的是extension不但能够声明方法，还能够声明属性、成员变量。extension通常用于声明私有方法，私有属性，私有成员变量。

​ 使用 extension 必须有原有类的源码。extension 声明的方法、属性和成员变量必须在类的主 @implementation 区间内实现，能够避免使用有名称的 category 带来的多个没必要要的 implementation 段。

​ extension 很常见的用法，是用来给类添加私有的变量和方法，用于在类的内部使用。例如在 interface 中定义为 readonly 类型的属性，在实现中添加 extension，将其从新定义为 readwrite，这样咱们在类的内部就能够直接修改它的值，然而外部依然不能调用 setter 方法来修改。

1.3 category与extension的区别

category和extension的区别来看，

• extension能够添加实例变量，而category是没法添加实例变量的。
• extension在编译期决议，是类的一部分，category则在运行期决议。extension在编译期和头文件里的@interface以及实现文件里的@implement一块儿造成一个完整的类，extension伴随类的产生而产生，亦随之一块儿消亡。
• extension通常用来隐藏类的私有信息，你必须有一个类的源码才能为一个类添加extension，因此你没法为系统的类好比NSString添加extension，除非建立子类再添加extension。而category不须要有类的源码，咱们能够给系统提供的类添加category。
• extension和category均可以添加属性，可是category的属性不能生成成员变量和getter、setter方法的实现。

2、category编译期

首先，咱们编写下面这些类，源码在：01-principle

重编译为C++代码：

$ xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc BFPerson+Work.m
$ xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc BFPerson+Study.m
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以Study分类为例，看看C++中的结构体：

其中对应初始化中的部分结构体以下：

咱们看到在编译期中针对分类中的，实例方法、类方法以及属性（假若有协议一样会生成，示例代码中未继承协议）都生成了对应的结构体。

最后造成的结构体就是上图中的_category_t：

struct _category_t {
	const char *name;		//分类名
	struct _class_t *cls; 	//类
	const struct _method_list_t *instance_methods;	//实例方法列表 
	const struct _method_list_t *class_methods;		//类方法列表
	const struct _protocol_list_t *protocols;		//协议列表
	const struct _prop_list_t *properties;			//属性列表
};
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3、category运行期

源码在：01-principle

3.1 分类在运行期作了什么

• runtime会加载某个类的全部category数据；

• 将全部category的方法（对象方法、类方法）、属性、协议数据，合并到一个大数组中

  • 后面参与编译的category数据，会在合并数组的前面；

• 将合并后的分类数据（方法、属性、协议），插入到类原来数据的前面；

下面咱们从objc源码开始追踪这些结论的体现。

3.2 category_t结构体

//from objc-runtime-new.h
struct category_t {
    const char *name;
    classref_t cls;
    struct method_list_t *instanceMethods;
    struct method_list_t *classMethods;
    struct protocol_list_t *protocols;
    struct property_list_t *instanceProperties;
    // Fields below this point are not always present on disk.
    struct property_list_t *_classProperties;

    method_list_t *methodsForMeta(bool isMeta) {
        if (isMeta) return classMethods;
        else return instanceMethods;
    }

    property_list_t *propertiesForMeta(bool isMeta, struct header_info *hi);
};
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3.3 源码导读

下面源码，咱们以分类中的对象方法为例。其类方法、协议或属性，和对象方法处理流程相似，遵循一样的规律。

3.3.1 导读图

源码执行流程以下：

下面是分类方法合并到原类中的流程图：

3.3.2 核心流程

咱们读取最核心重布局对象方法的环节：

a. 肯定分类编译顺序

项目编译中，Compile Sources会决定分类编译顺序，下图中Study分类在前，Work分类在后。

b. 获取分类列表cats

获得列表，Study在前，Work在后。

cats = [

​ category_t (BFPerson+Study),

​ category_t (BFPerson+Work)

]

c. 将cats方法合并到mlists

将分类cats 倒序抽取出每一个分类的方法，放入二维数组mlists中，此时Work对象方法在前：

mlists = [ ​ [method_t work, method_t test], ​ [method_t study, method_t test], ]

d. mlists插入rw

将mlists方法插入rw对象方法列表method_array_t中

1. 将rw原有方法列表[method_t test]移动到method_array_t最后；
2. 将分类mlists方法拷贝到method_array_t头部。

e. 对象方法结果

最后，咱们得到的rw中method_array_t为：

method_array_t = [

​ [method_t study, method_t test], <-->BFPerson+Work

​ [method_t work, method_t test], <-->BFPerson+Study

​ [ method_t test], <-->BFPerson

]

3.3.3 核心源码截取

下面是抽取的部分源码：

3.3.3.1 分类方法处理

// cls - BFPerson
// *cats = [category_t (BFPerson+Study), category_t (BFPerson+Work) ]
static void 
attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches)
{
    // 分配内存：针对未进行重布局的分类列表
    /*mlists 方法二维数组*/
    method_list_t **mlists = (method_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*mlists));
    int i = cats->count;
    
    while (i--) {
        // i-- 在category list最后面的，先添加到mlists
        // 取出分类列表中的分类
        // 最后参与编译的，先取出category_t BFPerson+Work
        // 编译顺序：在编译log中查看，在Compile Sources中更改
        auto& entry = cats->list[i];
        // 取出分类的对象方法列表
        method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
        if (mlist) {
            // 将对应分类的方法列表添加到mlists
            /* 以 *cats = [category_t (BFPerson+Study), category_t (BFPerson+Work)] 执行完while 循环后，mlists为 [ [method_t work, method_t test], [method_t study, method_t test], ] */
            mlists[mcount++] = mlist;
            fromBundle |= entry.hi->isBundle();
        }
    }

    auto rw = cls->data();

    prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle);
    
    // 将从新布局的category list添加到 rw中
    // 将全部分类的对象方法，附加到类对象的方法列表中
    rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
    free(mlists);
    // 刷新方法缓存列表
    if (flush_caches  &&  mcount > 0) flushCaches(cls);
}
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3.3.3.2 方法列表处理

而后开始从新编排rw中的方法列表：

/** @param addedLists 分类方法列表————二维数组 [ [method_t work, method_t test], [method_t study, method_t test] ] @param addedCount 分类列表长度————即分类的数目 */
void attachLists(List* const * addedLists, uint32_t addedCount) {
    if (addedCount == 0) return;

    if (hasArray()) {
        // many lists -> many lists
        uint32_t oldCount = array()->count;
        uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
        //从新分配实例对象数组列表内存
        setArray((array_t *)realloc(array(), array_t::byteSize(newCount)));
        array()->count = newCount;

        // array()->lists 原来的方法列表
        // *memmove(void *__dst, const void *__src, size_t __len);
        // 将原方法列表array()->lists开始，移动oldCount长度，移动到array()->lists + addedCount（分类个数）
        // 此处，假如原单位占用1个，分类此处有两个（Study、Work）
        // 【1】【】【】-> 【】【】【1】
        memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists, 
                oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
        // *memcpy(void *__dst, const void *__src, size_t __n);
        // 将addedLists开始的addedCount长度，拷贝到array()->lists位置
        // 【1】【】【】-> 【】【】【1】-> 【2-Work】【3-Study】【1】
        memcpy(array()->lists, addedLists, 
               addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
    }
}
复制代码

参考

连接

1. Apple souce objc4

示例代码

1. 01-principle