深刻浅出Cocoa之消息

[Cocoa]深刻浅出Cocoa之消息

 

深刻浅出Cocoa之消息   

罗朝辉 (http://www.cnblogs.com/kesalin/)

本文遵循“ 署名-非商业用途-保持一致”创做公用协议

 

在入门级别的ObjC 教程中，咱们常对从C++或Java 或其余面向对象语言转过来的程序员说，ObjC 中的方法调用（ObjC中的术语为消息）跟其余语言中的方法调用差很少，只是形式有些不一样而已。 

譬如Ｃ++ 中的：

Bird * aBird = new Bird();

aBird->fly();

在ObjC 中则以下：

Bird * aBird = [[Bird alloc] init];

[aBird fly];

初看起来，好像只是书写形式不一样而已，实则差别大矣。Ｃ++中的方法调用多是动态的，也多是静态的；而ObjC中的消息都为动态的。下文将详细介绍为何是动态的，以及编译器在这背后作了些什么事情。

要说清楚消息这个话题，咱们必须先来了解三个概念Class, SEL, IMP，它们在objc/objc.h 中定义：

typedef struct objc_class *Class;

typedef struct objc_object {

    Class isa;

} *id;

 

typedef struct objc_selector   *SEL;   

typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);

 

Class 的含义

Class 被定义为一个指向 objc_class的结构体指针，这个结构体表示每个类的类结构。而 objc_class 在objc/objc_class.h中定义以下:

struct objc_class {

    struct objc_class * isa;

    struct objc_class * super_class;  /*父类*/

    const char *name;                 /*类名字*/

    long version;                   /*版本信息*/

    long info;                        /*类信息*/

    long instance_size;               /*实例大小*/

    struct objc_ivar_list *ivars;     /*实例参数链表*/

    struct objc_method_list **methodLists;  /*方法链表*/

    struct objc_cache *cache;               /*方法缓存*/

    struct objc_protocol_list *protocols;   /*协议链表*/

};

 

因而可知，Class 是指向类结构体的指针，该类结构体含有一个指向其父类类结构的指针，该类方法的链表，该类方法的缓存以及其余必要信息。

NSObject 的class 方法就返回这样一个指向其类结构的指针。每个类实例对象的第一个实例变量是一个指向该对象的类结构的指针，叫作isa。经过该指针，对象能够访问它对应的类以及相应的父类。如图一所示：

 

如图一所示，圆形所表明的实例对象的第一个实例变量为 isa，它指向该类的类结构 The object’s class。而该类结构有一个指向其父类类结构的指针superclass， 以及自身消息名称(selector)/实现地址(address)的方法链表。

 

方法的含义：

注意这里所说的方法链表里面存储的是Method 类型的。图一中selector 就是指 Method的 SEL,  address就是指Method的 IMP。 Method 在头文件 objc_class.h中定义以下：

typedef struct objc_method *Method;

typedef struct objc_ method {

    SEL method_name;

    char *method_types;

    IMP method_imp;

};

 

一个方法 Method，其包含一个方法选标 SEL – 表示该方法的名称，一个types – 表示该方法参数的类型，一个 IMP  - 指向该方法的具体实现的函数指针。

 

SEL 的含义：

在前面咱们看到方法选标 SEL 的定义为：

typedef struct objc_selector   *SEL;   

它是一个指向 objc_selector 指针，表示方法的名字/签名。以下所示，打印出 selector。

 

-(NSInteger)maxIn:(NSInteger)a theOther:(NSInteger)b

{

    return (a > b) ? a : b;

}

 

NSLog(@"SEL=%s", @selector(maxIn:theOther:));

 

输出：SEL=maxIn:theOther:

不一样的类能够拥有相同的 selector，这个没有问题，由于不一样类的实例对象performSelector相同的 selector 时，会在各自的消息选标(selector)/实现地址(address) 方法链表中根据 selector 去查找具体的方法实现IMP, 而后用这个方法实现去执行具体的实现代码。这是一个动态绑定的过程，在编译的时候，咱们不知道最终会执行哪一些代码，只有在执行的时候，经过selector去查询，咱们才能肯定具体的执行代码。

 

IMP 的含义：

在前面咱们也看到 IMP 的定义为：

typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);

根据前面id 的定义，咱们知道 id是一个指向 objc_object 结构体的指针，该结构体只有一个成员isa，因此任何继承自 NSObject 的类对象均可以用id 来指代，由于 NSObject 的第一个成员实例就是isa。

 

至此，咱们就很清楚地知道 IMP  的含义：IMP 是一个函数指针，这个被指向的函数包含一个接收消息的对象id(self  指针), 调用方法的选标 SEL (方法名)，以及不定个数的方法参数，并返回一个id。也就是说 IMP 是消息最终调用的执行代码，是方法真正的实现代码 。咱们能够像在Ｃ语言里面同样使用这个函数指针。

 

NSObject 类中的methodForSelector：方法就是这样一个获取指向方法实现IMP 的指针，methodForSelector：返回的指针和赋值的变量类型必须彻底一致，包括方法的参数类型和返回值类型。

 

下面的例子展现了怎么使用指针来调用setFilled:的方法实现：

void (*setter)(id, SEL, BOOL);

int i;

 

setter = (void(*)(id, SEL, BOOL))[target methodForSelector:@selector(setFilled:)];

 

for (i = 0; i < 1000; i++)

    setter(targetList[i], @selector(setFilled:), YES);

 

使用methodForSelector：来避免动态绑定将减小大部分消息的开销，可是这只有在指定的消息被重复发送不少次时才有意义，例如上面的for循环。

注意，methodForSelector：是Cocoa运行时系统的提供的功能，而不是Objective-C语言自己的功能。

 

消息调用过程：

至此咱们对ObjC 中的消息应该有个大体思路了：示例

Bird * aBird = [[Bird alloc] init];

[aBird fly];

中对 fly 的调用，编译器经过插入一些代码，将之转换为对方法具体实现IMP的调用，这个 IMP是经过在 Bird 的类结构中的方法链表中查找名称为fly 的 选标SEL 对应的具体方法实现找到的。

上面的思路还有一些没有说起的话题，好比说编译器插入了什么代码，若是在方法链表中没有找到对应的 IMP又会如何，这些话题在下面展开。

 

消息函数 obj_msgSend：

编译器会将消息转换为对消息函数 objc_msgSend的调用，该函数有两个主要的参数：消息接收者id 和消息对应的方法选标 SEL, 同时接收消息中的任意参数：

id objc_msgSend(id theReceiver, SELtheSelector, ...)

如上面的消息 [aBird fly]会被转换为以下形式的函数调用：

objc_msgSend(aBird, @selector(fly));

该消息函数作了动态绑定所须要的一切工做：

1，它首先找到 SEL 对应的方法实现 IMP。由于不一样的类对同一方法可能会有不一样的实现，因此找到的方法实现依赖于消息接收者的类型。
2， 而后将消息接收者对象(指向消息接收者对象的指针)以及方法中指定的参数传递给方法实现 IMP。
3， 最后，将方法实现的返回值做为该函数的返回值返回。

 

编译器会自动插入调用该消息函数objc_msgSend的代码，咱们无须在代码中显示调用该消息函数。当objc_msgSend找到方法对应的实现时，它将直接调用该方法实现，并将消息中全部的参数都传递给方法实现，同时，它还将传递两个隐藏的参数：消息的接收者以及方法名称 SEL。这些参数帮助方法实现得到了消息表达式的信息。它们被认为是”隐藏“的是由于它们并无在定义方法的源代码中声明，而是在代码编译时是插入方法的实现中的。

尽管这些参数没有被显示声明，但在源代码中仍然能够引用它们（就象能够引用消息接收者对象的实例变量同样）。在方法中能够经过self来引用消息接收者对象，经过选标_cmd来引用方法自己。在下面的例子中，_cmd 指的是strange方法，self指的收到strange消息的对象。

- strange

{

    id target = getTheReceiver();

    SEL method = getTheMethod();

 

    if (target == self || mothod == _cmd)

        return nil;

 

    return [target performSelector:method];

}

在这两个参数中，self更有用一些。实际上，它是在方法实现中访问消息接收者对象的实例变量的途径。

 

查找 IMP 的过程：

前面说了，objc_msgSend 会根据方法选标 SEL 在类结构的方法列表中查找方法实现IMP。这里头有一些文章，咱们在前面的类结构中也看到有一个叫objc_cache *cache 的成员，这个缓存为提升效率而存在的。每一个类都有一个独立的缓存，同时包括继承的方法和在该类中定义的方法。。

 

查找IMP 时：

1，首先去该类的方法 cache 中查找，若是找到了就返回它；

2，若是没有找到，就去该类的方法列表中查找。若是在该类的方法列表中找到了，则将 IMP 返回，并将它加入cache中缓存起来。根据最近使用原则，这个方法再次调用的可能性很大，缓存起来能够节省下次调用再次查找的开销。3，3，若是在该类的方法列表中没找到对应的 IMP，在经过该类结构中的 super_class指针在其父类结构的方法列表中去查找，直到在某个父类的方法列表中找到对应的IMP，返回它，并加入cache中。

4，若是在自身以及全部父类的方法列表中都没有找到对应的 IMP，则进入下文中要讲的消息转发流程。

 

便利函数：

咱们能够经过NSObject的一些方法获取运行时信息或动态执行一些消息：

 class   返回对象的类；

 isKindOfClass 和 isMemberOfClass检查对象是否在指定的类继承体系中；

 respondsToSelector 检查对象可否相应指定的消息；

 conformsToProtocol 检查对象是否实现了指定协议类的方法；

 methodForSelector  返回指定方法实现的地址。

 performSelector:withObject 执行SEL 所指代的方法。

  

消息转发：

一般，给一个对象发送它不能处理的消息会获得出错提示，然而，Objective-C运行时系统在抛出错误以前，会给消息接收对象发送一条特别的消息forwardInvocation 来通知该对象，该消息的惟一参数是个NSInvocation类型的对象——该对象封装了原始的消息和消息的参数。咱们能够实现forwardInvocation:方法来对不能处理的消息作一些默认的处理，也能够将消息转发给其余对象来处理，而不抛出错误。

关于消息转发的做用，能够考虑以下情景：假设，咱们须要设计一个可以响应negotiate消息的对象，而且可以包括其它类型的对象对消息的响应。 经过在negotiate方法的实现中将negotiate消息转发给其它的对象来很容易的达到这一目的。

更进一步，假设咱们但愿咱们的对象和另一个类的对象对negotiate的消息的响应彻底一致。一种可能的方式就是让咱们的类继承其它类的方法实现。 而后，有时候这种方式不可行，由于咱们的类和其它类可能须要在不一样的继承体系中响应negotiate消息。

虽然咱们的类没法继承其它类的negotiate方法，但咱们仍然能够提供一个方法实现，这个方法实现只是简单的将negotiate消息转发给其余类的对象，就好像从其它类那儿“借”来的现同样。以下所示：

- negotiate

{

    if ([someOtherObject respondsToSelector:@selector(negotiate)])

        return [someOtherObject negotiate];

 

    return self;

}

这种方式显得有欠灵活，特别是有不少消息都但愿传递给其它对象时，咱们就必须为每一种消息提供方法实现。此外，这种方式不能处理未知的消息。当咱们写下代码时，全部咱们须要转发的消息的集合都必须肯定。然而，实际上，这个集合会随着运行时事件的发生，新方法或者新类的定义而变化。

forwardInvocation:消息给这个问题提供了一个更特别的，动态的解决方案：当一个对象因为没有相应的方法实现而没法响应某消息时，运行时系统将经过forwardInvocation:消息通知该对象。每一个对象都从NSObject类中继承了forwardInvocation:方法。然而，NSObject中的方法实现只是简单地调用了doesNotRecognizeSelector:。经过实现咱们本身的forwardInvocation:方法，咱们能够在该方法实现中将消息转发给其它对象。

 

要转发消息给其它对象，forwardInvocation:方法所必须作的有：

1，决定将消息转发给谁，而且
2，将消息和原来的参数一块转发出去。

 

消息能够经过invokeWithTarget:方法来转发：

- (void) forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation

{

    if ([someOtherObject respondsToSelector:[anInvocation selector]])

        [anInvocation invokeWithTarget:someOtherObject];

 

    else

        [super forwardInvocation:anInvocation];

}

 

转发消息后的返回值将返回给原来的消息发送者。您能够将返回任何类型的返回值，包括: id，结构体，浮点数等。

forwardInvocation:方法就像一个不能识别的消息的分发中心，将这些消息转发给不一样接收对象。或者它也能够象一个运输站将全部的消息都发送给同一个接收对象。它能够将一个消息翻译成另一个消息，或者简单的"吃掉“某些消息，所以没有响应也没有错误。forwardInvocation:方法也能够对不一样的消息提供一样的响应，这一切都取决于方法的具体实现。该方法所提供是将不一样的对象连接到消息链的能力。

 

注意： forwardInvocation:方法只有在消息接收对象中没法正常响应消息时才会被调用。 因此，若是咱们但愿一个对象将negotiate消息转发给其它对象，则这个对象不能有negotiate方法。不然，forwardInvocation:将不可能会被调用。

消息转发示例： 

// Proxy
@interface Proxy : NSObject
-(void)MissMethod;
@end

@implementation Proxy
-(void)MissMethod
{
    NSLog(@" >> MissMethod() in Proxy.");
}
@end

// Foo
@interface Foo : NSObject
@end

@implementation Foo

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
{
    SEL name = [anInvocation selector];
    NSLog(@" >> forwardInvocation for selector [%@]", NSStringFromSelector(name));
    
    Proxy * proxy = [[[Proxy alloc] init] autorelease];
    if ([proxy respondsToSelector:name]) {
        [anInvocation invokeWithTarget:proxy];
    }
    else {
        [super forwardInvocation:anInvocation];
    }
}

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    return [Proxy instanceMethodSignatureForSelector:aSelector];
}

@end

// 调用代码
Foo * foo = [[[Foo alloc] init] autorelease];

[foo MissMethod];

运行上面调用代码将会输出：

>> forwardInvocation MissMethod

>> MissMethod() in Proxy.

 

参考资料：

Objective-CRuntime Reference:

http://developer.apple.com/library/mac/#documentation/Cocoa/Reference/ObjCRuntimeRef/Reference/reference.html

Objective-C Runtime Programming Guide:
http://developer.apple.com/library/mac/#documentation/Cocoa/Conceptual/ObjCRuntimeGuide/Introduction/Introduction.html