探秘Runtime - Runtime介绍

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Runtime是iOS系统中重要的组成部分，面试也是必问的问题，因此Runtime是一个iOS工程师必须掌握的知识点。

如今市面上有不少关于Runtime的学习资料，也有很多高质量的，可是大多数质量都不是很高，并且都只介绍某个点，并不全面。

这段时间正好公司内部组织技术分享，我分享的主题就是Runtime，我把分享的资料发到博客，你们一块儿学习交流。

文章都是个人一些笔记，和平时的技术积累。我的水平有限，文章有什么问题还请各位大神指导，谢谢！

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描述

**OC语言是一门动态语言，会将程序的一些决定工做从编译期推迟到运行期。**因为OC语言运行时的特性，因此其不仅须要依赖编译器，还须要依赖运行时环境。

OC语言在编译期都会被编译为C语言的Runtime代码，二进制执行过程当中执行的都是C语言代码。而OC的类本质上都是结构体，在编译时都会以结构体的形式被编译到二进制中。Runtime是一套由C、C++、汇编实现的API，全部的方法调用都叫作发送消息。

根据Apple官方文档的描述，目前OC运行时分为两个版本，Modern和Legacy。两者的区别在于Legacy在实例变量发生改变后，须要从新编译其子类。Modern在实例变量发生改变后，不须要从新编译其子类。

Runtime不仅是一些C语言的API，其由Class、Meta Class、Instance、Class Instance组成，是一套完整的面向对象的数据结构。因此研究Runtime总体的对象模型，比研究API是怎么实现的更有意义。

使用Runtime

Runtime是一个共享动态库，其目录位于/usr/include/objc，由一系列的C函数和结构体构成。和Runtime系统发生交互的方式有三种，通常都是用前两种：

1. 使用OC源码 直接使用上层OC源码，底层会经过Runtime为其提供运行支持，上层不须要关心Runtime运行。
2. NSObject 在OC代码中绝大多数的类都是继承自NSObject的，NSProxy类例外。Runtime在NSObject中定义了一些基础操做，NSObject的子类也具有这些特性。
3. Runtime动态库 上层的OC源码都是经过Runtime实现的，咱们通常不直接使用Runtime，直接和OC代码打交道就能够。

使用Runtime须要引入下面两个头文件，一些基础方法都定义在这两个文件中。

#import <objc/runtime.h>
#import <objc/message.h>

对象模型

下面图中表示了对象间isa的关系，以及类的继承关系。

从Runtime源码能够看出，每一个对象都是一个objc_object的结构体，在结构体中有一个isa指针，该指针指向本身所属的类，由Runtime负责建立对象。

类被定义为objc_class结构体，objc_class结构体继承自objc_object，因此类也是对象。在应用程序中，类对象只会被建立一份。在objc_class结构体中定义了对象的method list、protocol、ivar list等，表示对象的行为。

既然类是对象，那类对象也是其余类的实例。因此Runtime中设计出了meta class，经过meta class来建立类对象，因此类对象的isa指向对应的meta class。而meta class也是一个对象，全部元类的isa都指向其根元类，根原类的isa指针指向本身。经过这种设计，isa的总体结构造成了一个闭环。

// 精简版定义
typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
}

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

在对象的继承体系中，类和元类都有各自的继承体系，但它们都有共同的根父类NSObject，而NSObject的父类指向nil。须要注意的是，上图中Root Class(Class)是NSObject类对象，而Root Class(Meta)是NSObject的元类对象。

基础定义

在objc-private.h文件中，有一些项目中经常使用的基础定义，这是最新的objc-723中的定义，能够来看一下。

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

typedef struct method_t *Method;
typedef struct ivar_t *Ivar;
typedef struct category_t *Category;
typedef struct property_t *objc_property_t;

IMP

在Runtime中IMP本质上就是一个函数指针，其定义以下。在IMP中有两个默认的参数id和SEL，id也就是方法中的self，这和objc_msgSend()函数传递的参数同样。

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

Runtime中提供了不少对于IMP操做的API，下面就是不分IMP相关的函数定义。咱们比较常见的是method_exchangeImplementations函数，Method Swizzling就是经过这个API实现的。

OBJC_EXPORT void
method_exchangeImplementations(Method _Nonnull m1, Method _Nonnull m2) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nonnull
method_setImplementation(Method _Nonnull m, IMP _Nonnull imp) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nonnull
method_getImplementation(Method _Nonnull m) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nullable
class_getMethodImplementation(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull name) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
// ....

获取IMP

经过定义在NSObject中的下面两个方法，能够根据传入的SEL获取到对应的IMP。methodForSelector:方法不仅实例对象能够调用，类对象也能够调用。

- (IMP)methodForSelector:(SEL)aSelector;
+ (IMP)instanceMethodForSelector:(SEL)aSelector;

例以下面建立C函数指针用来接收IMP，获取到IMP后能够手动调用IMP，在定义的C函数中须要加上两个隐藏参数。

void (*function) (id self, SEL _cmd, NSObject object);

function = (id self, SEL _cmd, NSObject object)[self methodForSelector:@selector(object:)];

function(instance, @selector(object:), [NSObject new]);

性能优化

经过这些API能够进行一些优化操做。若是遇到大量的方法执行，能够经过Runtime获取到IMP，直接调用IMP实现优化。

TestObject *object = [[TestObject alloc] init];
void(*function)(id, SEL) = (void(*)(id, SEL))class_getMethodImplementation([TestObject class], @selector(testMethod));
function(object, @selector(testMethod));

在获取和调用IMP的时候须要注意，每一个方法默认都有两个隐藏参数，因此在函数声明的时候须要加上这两个隐藏参数，调用的时候也须要把相应的对象和SEL传进去，不然可能会致使Crash。

IMP for block

Runtime还支持block方式的回调，咱们能够经过Runtime的API，将原来的方法回调改成block的回调。

// 类定义
@interface TestObject : NSObject
- (void)testMethod:(NSString *)text;
@end

// 类实现
@implementation TestObject
- (void)testMethod:(NSString *)text {
    NSLog(@"testMethod : %@", text);
}
@end

// runtime
IMP function = imp_implementationWithBlock(^(id self, NSString *text) {
    NSLog(@"callback block : %@", text);
});
const char *types = sel_getName(@selector(testMethod:));
class_replaceMethod([TestObject class], @selector(testMethod:), function, types);
    
TestObject *object = [[TestObject alloc] init];
[object testMethod:@"lxz"];

// 输出
callback block : lxz

Method

Method用来表示方法，其包含SEL和IMP，下面能够看一下Method结构体的定义。

typedef struct method_t *Method;

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
};

在运行过程当中是这样。

在Xcode进行编译的时候，只会将Xcode的Compile Sources中.m声明的方法编译到Method List，而.h文件中声明的方法对Method List没有影响。

Property

在Runtime中定义了属性的结构体，用来表示对象中定义的属性。@property修饰符用来修饰属性，修饰后的属性为objc_property_t类型，其本质是property_t结构体。其结构体定义以下。

typedef struct property_t *objc_property_t;

struct property_t {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

能够经过下面两个函数，分别获取实例对象的属性列表，和协议的属性列表。

objc_property_t * class_copyPropertyList（Class cls，unsigned int * outCount）
objc_property_t * protocol_copyPropertyList（Protocol * proto，unsigned int * outCount）

能够经过下面两个方法，传入指定的Class和propertyName，获取对应的objc_property_t属性结构体。

objc_property_t class_getProperty（Class cls，const char * name）
objc_property_t protocol_getProperty（Protocol * proto，const char * name，BOOL isRequiredProperty，BOOL isInstanceProperty）

分析实例变量

对象间关系

在OC中绝大多数类都是继承自NSObject的(NSProxy例外)，类与类之间都会存在继承关系。经过子类建立对象时，继承链中全部成员变量都会存在对象中。

例以下图中，父类是UIViewController，具备一个view属性。子类UserCenterViewController继承自UIViewController，并定义了两个新属性。这时若是经过子类建立对象，就会同时包含着三个实例变量。

可是类的结构在编译时都是固定的，若是想要修改类的结构须要从新编译。若是上线后用户安装到设备上，新版本的iOS系统中更新了父类的结构，也就是UIViewController的结构，为其加入了新的实例变量，这时用户更新新的iOS系统后就会致使问题。

原来UIViewController的结构中增长了childViewControllers属性，这时候和子类的内存偏移就发生冲突了。只不过，Runtime有检测内存冲突的机制，在类生成实例变量时，会判断实例变量是否有地址冲突，若是发生冲突则调整对象的地址偏移，这样就在运行时解决了地址冲突的问题。

内存布局

类的本质是结构体，在结构体中包含一些成员变量，例如method list、ivar list等，这些都是结构体的一部分。method、protocol、property的实现这些均可以放到类中，全部对象调用同一份便可，但对象的成员变量不能够放在一块儿，由于每一个对象的成员变量值都是不一样的。

**建立实例对象时，会根据其对应的Class分配内存，内存构成是ivars+isa_t。**而且实例变量不仅包含当前Class的ivars，也会包含其继承链中的ivars。ivars的内存布局在编译时就已经决定，运行时须要根据ivars内存布局建立对象，因此Runtime不能动态修改ivars，会破坏已有内存布局。

(上图中，“x”表示地址对其后的空位)

以上图为例，建立的对象中包含所属类及其继承者链中，全部的成员变量。由于对象是结构体，因此须要进行地址对其，通常OC对象的大小都是8的倍数。

**也不是全部对象都不能动态修改ivars，若是是经过runtime动态建立的类，是能够修改ivars的。**这个在后面会有讲到。

ivar读写

实例变量的isa_t指针会指向其所属的类，对象中并不会包含method、protocol、property、ivar等信息，这些信息在编译时都保存在只读结构体class_ro_t中。在class_ro_t中ivars是const只读的，在image load时copy到class_rw_t中时，是不会copy ivars的，而且class_rw_t中并无定义ivars的字段。

在访问某个成员变量时，直接经过isa_t找到对应的objc_class，并经过其class_ro_t的ivar list作地址偏移，查找对应的对象内存。正是因为这种方式，因此对象的内存地址是固定不可改变的。

方法传参

当调用实例变量的方法时，会经过objc_msgSend()发起调用，调用时会传入self和SEL。函数内部经过isa在类的内部查找方法列表对应的IMP，传入对应的参数并发起调用。若是调用的方法时涉及到当前对象的成员变量的访问，这时候就是在objc_msgSend()内部，经过类的ivar list判断地址偏移，取出ivar并传入调用的IMP中的。

调用super的方式时则调用objc_msgSendSuper()函数实现，调用时将实例变量的父类传进去。可是须要注意的是，调用objc_msgSendSuper函数时传入的对象，也是当前实例变量，因此是在向本身发送父类的消息。具体能够看一下[self class]和[super class]的结果，结果应该都是同样的。

在项目中常常会经过[super xxx]的方式调用父类方法，这是由于须要先完成父类的操做，固然也能够不调用，视状况而定。以常常见到的自定义init方法中，常常会出现if (self = [super init])的调用，这是在完成本身的初始化以前先对父类进行初始化，不然只初始化自身可能会存在问题。在调用[super init]时若是返回nil，则表示父类初始化失败，这时候初始化子类确定会出现问题，因此须要作判断。

参考资料

Apple Runtime Program Guild 维基百科-Objective-C 维基百科-Clang 维基百科-GCC(GNU)

苹果开源代码不建议去Github，上面的版本通常更新不及时，建议去苹果的开源官网。 Apple Opensource

简书因为排版的问题，阅读体验并很差，布局、图片显示、代码等不少问题。因此建议到我Github上，下载Runtime PDF合集。把全部Runtime文章总计九篇，都写在这个PDF中，并且左侧有目录，方便阅读。

下载地址：Runtime PDF 麻烦各位大佬点个赞，谢谢！