一、前言
OC是一门动态语言,它将很多静态语言在编译和链接时期做的事放到了运行时来处理。即说明OC需要一个编译器和一个运行时系统来编译代码,这个运行时系统即Runtime,它是用C和汇编写的,并使C拥有了面向对象的能力。其优势在于:灵活性,比如我们可以把消息转发给我们想要的对象
runtime源码下载地址:https://opensource.apple.com/tarballs/objc4/
Runtime库主要做了以下事情:
1、封装: 在这个库中,对象可以用C语言中的结构体表示,而方法可以用C函数来实现,另外再加上了一些额外的特性。这些结构体和函数被runtime函数封装后,我们就可以在程序运行时创建,检查,修改类、对象和它们的方法了
2、找出方法的最终执行代码:当程序执行[object doSomething]时,会向消息接收者(object)发送一条消息(doSomething),runtime会根据消息接收者是否能响应该消息而做出不同的反应。
二、类与对象的数据结构
1、Class
Objective-C类是由Class类型来表示的,它实际上是一个指向objc_class结构体的指针。查看objc/runtime.h中objc_class结构体的定义如下
struct objc_class {
struct objc_class *isa; //is a指针
struct objc_class *super_class; //父类
const char *name; //类名
long version; // 类的版本信息,默认为0
long info; // 类信息,供运行期使用的一些位标识
long instance_size; // 该类的实例变量大小
struct objc_ivar_list *ivars; // 该类的成员变量链表
#if defined(Release3CompatibilityBuild)
struct objc_method_list *methods; // 方法定义的链表
#else
struct objc_method_list **methodLists; // 方法定义的链表
#endif
struct objc_cache *cache; // 方法缓存
struct objc_protocol_list *protocols; // 协议链表
};
在以上的定义中,有几个字段是需要注意的:
1)isa指针:在Objective-C中,所有的类自身也是一个对象,这个对象的Class里面也有一个isa指针,它指向metaClass(元类)。后续会专门介绍元类。
2)super_class:指向该类的父类,如果该类已经是最顶层的根类(如NSObject或NSProxy),则super_class为NULL。
3)cache:用于缓存最近使用的方法。一个接收者对象接收到一个消息时,它会根据isa指针去查找能够响应这个消息的对象。在实际使用中,这个对象只有一部分方法是常用的,很多方法其实很少用或者根本用不上。这种情况下,如果每次消息来时,我们都是methodLists中遍历一遍,性能势必很差。这时,cache就派上用场了。在我们每次调用过一个方法后,这个方法就会被缓存到cache列表中,下次调用的时候runtime就会优先去cache中查找,如果cache没有,才去methodLists中查找方法。这样,对于那些经常用到的方法的调用,但提高了调用的效率。
4) version:我们可以使用这个字段来提供类的版本信息。这对于对象的序列化非常有用,它让我们识别出不同类定义版本中实例变量布局的改变。
针对cache,特别举个栗子说明下其执行过程:
NSArray *array = [[NSArray alloc] init];
1、首先执行[NSArray alloc] 先被执行,由于NSArray没有+alloc方法,于是去父类NSObject类去找。
2、检测NSObject是否响应+alloc方法,发现响应,于是检测NSArray类,并根据其所需的内存空间大小开始分配内存空间,然后把`isa`指针指向NSArray类,同时,`+alloc`也被加进cache列表里面。
3、接着,执行`-init`方法,如果NSArray响应该方法,则直接将其加入`cache`;如果不响应,则去父类查找。
4、在后期的操作中,如果再以`[[NSArrayalloc] init]`这种方式来创建数组,则会直接从cache中取出相应的方法,直接调用。
这里专门说下objc_object:
objc_object是表示一个类的实例的结构体,它的定义如下:
struct objc_object {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
typedef struct objc_object *id;
可以看到,这个结构体只有一个字体,即指向其类的isa指针。这样,当我们向一个Objective-C对象发送消息时,运行时库会根据实例对象的isa指针找到这个实例对象所属的类。Runtime库会在类的方法列表及父类的方法列表中去寻找与消息对应的selector指向的方法。找到后即运行这个方法。
当创建一个特定类的实例对象时,分配的内存包含一个objc_object数据结构,然后是类的实例变量的数据。NSObject类的alloc和allocWithZone:方法使用函数class_createInstance来创建objc_object数据结构。
另外还有我们常见的id,它是一个objc_object结构类型的指针。它的存在可以让我们实现类似于C++中泛型的一些操作。该类型的对象可以转换为任何一种对象,有点类似于C语言中void *指针类型的作用。
objc_cache
上面提到了objc_class结构体中的cache字段,它用于缓存调用过的方法。这个字段是一个指向objc_cache结构体的指针,其定义如下
struct objc_cache {
unsigned int mask; /* total = mask + 1 */
unsigned int occupied;
Method buckets[1];
};
该结构体的字段描述如下:
mask:当前能达到的最大index(从0开始的),所以缓存的size(total)是mask+1。
occupied:一个整数,指定实际占用的缓存bucket的总数。因为缓存是以散列表的形式存在的,所以会有空槽,而occupied表示当前被占用的数目
buckets:指向Method数据结构指针的数组。这个数组可能包含不超过mask+1个元素。需要注意的是,指针可能是NULL,表示这个缓存bucket没有被占用,另外被占用的bucket可能是不连续的。这个数组可能会随着时间而增长。
2、元类(meta class)
所有的类自身也是一个对象,我们可以向这个对象发送消息(即调用类方法)。如
NSArray *array = [NSArray array];
这个例子中,+array消息发送给了NSArray类,而这个NSArray也是一个对象。既然是对象,那么它也是一个objc_object指针,它包含一个指向其类的一个isa指针。那么这些就有一个问题了,这个isa指针指向什么呢?为了调用+array方法,这个类的isa指针必须指向一个包含这些类方法的一个objc_class结构体。这就引出了meta-class的概念
meta class是一个类对象的类
当我们向一个对象发送消息时,runtime会在这个对象所属的这个类的方法列表中查找方法;而向一个类发送消息时,会在这个类的meta-class的方法列表中查找。meta-class之所以重要,是因为它存储着一个类的所有类方法。每个类都会有一个单独的meta-class,因为每个类的类方法基本不可能完全相同
再深入一下,meta-class也是一个类,也可以向它发送一个消息,那么它的isa又是指向什么呢?为了不让这种结构无限延伸下去,Objective-C的设计者让所有的meta-class的isa指向基类的meta-class,以此作为它们的所属类。即,任何NSObject继承体系下的meta-class都使用NSObject的meta-class作为自己的所属类,而基类的meta-class的isa指针是指向它自己。这样就形成了一个完美的闭环。
类与对象操作函数
runtime提供了大量的函数来操作类与对象。类的操作方法大部分是以class_为前缀的,而对象的操作方法大部分是以objc_或object_为前缀。下面我们将根据这些方法的用途来分类讨论这些方法的使用。
类相关操作函数
我们可以回过头去看看objc_class的定义,runtime提供的操作类的方法主要就是针对这个结构体中的各个字段的。下面我们分别介绍这一些的函数。并在最后以实例来演示这些函数的具体用法。
父类(super_class)和元类(meta-class)
父类和元类操作的函数主要有:
// 获取类的父类
Class class_getSuperclass ( Class cls );
// 判断给定的Class是否是一个元类
BOOL class_isMetaClass ( Class cls );
成员变量(ivars)及属性
在objc_class中,所有的成员变量、属性的信息是放在链表ivars中的。ivars是一个数组,数组中每个元素是指向Ivar(变量信息)的指针。runtime提供了丰富的函数来操作这一字段。大体上可以分为以下几类:
1.成员变量操作函数,主要包含以下函数:
// 获取整个成员变量列表
Ivar * class_copyIvarList ( Class cls,unsigned int *outCount );
// 添加成员变量
BOOL class_addIvar ( Class cls, const char* name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types );
// 获取类中指定名称实例成员变量的信息
Ivar class_getInstanceVariable ( Class cls,const char *name );
class_getInstanceVariable函数,它返回一个指向包含name指定的成员变量信息的objc_ivar结构体的指针(Ivar)。
class_copyIvarList函数,它返回一个指向成员变量信息的数组,数组中每个元素是指向该成员变量信息的objc_ivar结构体的指针。这个数组不包含在父类中声明的变量。outCount指针返回数组的大小。需要注意的是,我们必须使用free()来释放这个数组。
Objective-C不支持往已存在的类中添加实例变量,因此不管是系统库提供的类,还是我们自定义的类,都无法动态添加成员变量。但如果我们通过运行时来创建一个类的话,又应该如何给它添加成员变量呢?这时我们就可以使用class_addIvar函数了。不过需要注意的是,这个方法只能在objc_allocateClassPair函数与objc_registerClassPair之间调用。
方法(methodLists)
方法操作主要有以下函数:
// 添加方法
BOOL class_addMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp,const char *types );
// 获取实例方法
Method class_getInstanceMethod ( Class cls, SEL name );
// 获取类方法
Method class_getClassMethod ( Class cls, SEL name );
// 获取所有方法的数组
Method * class_copyMethodList ( Class cls,unsigned int *outCount );
// 替代方法的实现
IMP class_replaceMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp,const char *types );
// 返回方法的具体实现
IMP class_getMethodImplementation ( Class cls, SEL name );
IMP class_getMethodImplementation_stret ( Class cls, SEL name );
// 类实例是否响应指定的selector
BOOL class_respondsToSelector ( Class cls, SEL sel );
class_addMethod的实现会覆盖父类的方法实现,但不会取代本类中已存在的实现,如果本类中包含一个同名的实现,则函数会返回NO。如果要修改已存在实现,可以使用method_setImplementation。一个Objective-C方法是一个简单的C函数,它至少包含两个参数–self和_cmd。
与成员变量不同的是,我们可以为类动态添加方法,不管这个类是否已存在。另外,参数types是一个描述传递给方法的参数类型的字符数组,这就涉及到类型编码,我们将在后面介绍。
class_getInstanceMethod、class_getClassMethod函数,与class_copyMethodList不同的是,这两个函数都会去搜索父类的实现。
class_copyMethodList函数,返回包含所有实例方法的数组,如果需要获取类方法,则可以使用class_copyMethodList(object_getClass(cls), &count)(一个类的实例方法是定义在元类里面)。该列表不包含父类实现的方法。outCount参数返回方法的个数。在获取到列表后,我们需要使用free()方法来释放它。
class_replaceMethod函数,该函数的行为可以分为两种:如果类中不存在name指定的方法,则类似于class_addMethod函数一样会添加方法;如果类中已存在name指定的方法,则类似于method_setImplementation一样替代原方法的实现。
class_getMethodImplementation函数,该函数在向类实例发送消息时会被调用,并返回一个指向方法实现函数的指针。这个函数会比method_getImplementation(class_getInstanceMethod(cls, name))更快。返回的函数指针可能是一个指向runtime内部的函数,而不一定是方法的实际实现。例如,如果类实例无法响应selector,则返回的函数指针将是运行时消息转发机制的一部分。
class_respondsToSelector函数,我们通常使用NSObject类的respondsToSelector:或instancesRespondToSelector:方法来达到相同目的。
协议(objc_protocol_list)
协议相关的操作包含以下函数:
// 添加协议
BOOLclass_addProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );
// 返回类是否实现指定的协议
BOOLclass_conformsToProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );
// 返回类实现的协议列表
Protocol * class_copyProtocolList ( Class cls,unsignedint*outCount );
class_conformsToProtocol函数可以使用NSObject类的conformsToProtocol:方法来替代。
class_copyProtocolList函数返回的是一个数组,在使用后我们需要使用free()手动释放
举个例子
TestClass.h文件
@interface TestClass : NSObject
@property (nonatomic, strong) NSArray *dataArray;
@property (nonatomic, copy) NSString *string;
- (void)test1;
- (void)test2;
+ (void)classTest1;
@end
TestClass.m文件
#import "TestClass.h"
@interface TestClass(){
NSInteger innerInteger;
NSString *innerString;
}
@property(nonatomic,assign) NSInteger integer;
- (void)test3WithArg1:(NSInteger)arg1 arg2:(NSString *)arg2;
@end
@implementation TestClass
+ (void)classTest1{
NSLog(@"call classTest1");
}
- (void)test1{
NSLog(@"call test1");
}
- (void)test2{
NSLog(@"call test2");
}
- (void)test3WithArg1:(NSInteger)arg1 arg2:(NSString *)arg2 {
NSLog(@"arg1 : %ld, arg2 : %@", arg1, arg2);
}
@end
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "TestClass.h"
#import <objc/runtime.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
TestClass *myClass = [[TestClass alloc] init];
unsigned int outCount = 0;
Class cls = myClass.class;
// 类名
NSLog(@"class name: %s", class_getName(cls));
NSLog(@"==========================================================");
// 父类
NSLog(@"super class name: %s", class_getName(class_getSuperclass(cls)));
NSLog(@"==========================================================");
// 是否是元类
NSLog(@"%s is %@ a meta-class",class_getName(cls), (class_isMetaClass(cls) ? @"" : @"not"));
NSLog(@"==========================================================");
Class meta_class = objc_getMetaClass(class_getName(cls));
NSLog(@"%s's meta-class is %s", class_getName(cls), class_getName(meta_class));
// 是否是元类
NSLog(@"%s is %@ a meta-class",class_getName(meta_class), (class_isMetaClass(meta_class) ? @"" : @"not"));
NSLog(@"==========================================================");
// 变量实例大小
NSLog(@"instance size: %zu", class_getInstanceSize(cls));
NSLog(@"==========================================================");
// 成员变量
Ivar *ivars = class_copyIvarList(cls, &outCount);
for (int i = 0; i < outCount; i++) {
Ivar ivar = ivars[i];
NSLog(@"instance variable's name: %s at index: %d", ivar_getName(ivar), i);
}
free(ivars);
Ivar string = class_getInstanceVariable(cls, "_string");
if (string != NULL) {
NSLog(@"get instace variable by name,name is %s",ivar_getName(string));
}
NSLog(@"==========================================================");
// 属性操作
objc_property_t * properties = class_copyPropertyList(cls, &outCount);
for (int i = 0; i < outCount; i++) {
objc_property_t property = properties[i];
NSLog(@"property's name: %s", property_getName(property));
}
free(properties);
objc_property_t array = class_getProperty(cls, "array");
if (array != NULL) {
NSLog(@"property %s", property_getName(array));
}
NSLog(@"==========================================================");
// 方法操作
Method *methods = class_copyMethodList(cls, &outCount);
for (int i = 0; i < outCount; i++) {
Method method = methods[i];
NSLog(@"method's signature: %@",NSStringFromSelector( method_getName(method)));
}
free(methods);
Method method1 = class_getInstanceMethod(cls, @selector(test1));
if (method1 != NULL) {
NSLog(@"method %@", NSStringFromSelector(method_getName(method1)));
}
Method classMethod = class_getClassMethod(cls, @selector(classMethod1));
if (classMethod != NULL) {
NSLog(@"class method : %@", NSStringFromSelector(method_getName(classMethod)));
}
NSLog(@"MyClass is%@ responsd to selector: test3WithArg1:arg2:", class_respondsToSelector(cls, @selector(test3WithArg1:arg2:)) ? @"" : @" not");
IMP imp = class_getMethodImplementation(cls, @selector(test1));
imp();
NSLog(@"==========================================================");
// 协议
Protocol * __unsafe_unretained * protocols = class_copyProtocolList(cls, &outCount);
Protocol * protocol;
for (int i = 0; i < outCount; i++) {
protocol = protocols[i];
NSLog(@"protocol name: %s", protocol_getName(protocol));
}
NSLog(@"MyClass is%@ responsed to protocol %s", class_conformsToProtocol(cls, protocol) ? @"" : @" not", protocol_getName(protocol));
NSLog(@"==========================================================");
}
return 0;
}
输出内容:
2017-08-23 10:43:32.859851+0800 RuntimeTest[69340:1847703] class name: TestClass
2017-08-23 10:43:32.859886+0800 RuntimeTest[69340:1847703] ==========================================================
2017-08-23 10:43:32.859904+0800 RuntimeTest[69340:1847703] super class name: NSObject
2017-08-23 10:43:32.859913+0800 RuntimeTest[69340:1847703] ==========================================================
2017-08-23 10:43:32.859947+0800 RuntimeTest[69340:1847703] TestClass is not a meta-class
2017-08-23 10:43:32.859956+0800 RuntimeTest[69340:1847703] ==========================================================
2017-08-23 10:43:32.859965+0800 RuntimeTest[69340:1847703] TestClass's meta-class is TestClass
2017-08-23 10:43:32.859981+0800 RuntimeTest[69340:1847703] TestClass is a meta-class
2017-08-23 10:43:32.859988+0800 RuntimeTest[69340:1847703] ==========================================================
2017-08-23 10:43:32.859995+0800 RuntimeTest[69340:1847703] instance size: 48
2017-08-23 10:43:32.860002+0800 RuntimeTest[69340:1847703] ==========================================================
2017-08-23 10:43:32.862882+0800 RuntimeTest[69340:1847703] instance variable's name: innerInteger at index: 0
2017-08-23 10:43:32.862911+0800 RuntimeTest[69340:1847703] instance variable's name: innerString at index: 1
2017-08-23 10:43:32.862920+0800 RuntimeTest[69340:1847703] instance variable's name: _dataArray at index: 2
2017-08-23 10:43:32.862929+0800 RuntimeTest[69340:1847703] instance variable's name: _string at index: 3
2017-08-23 10:43:32.862936+0800 RuntimeTest[69340:1847703] instance variable's name: _integer at index: 4
2017-08-23 10:43:32.862968+0800 RuntimeTest[69340:1847703] instace variable _string
2017-08-23 10:43:32.862977+0800 RuntimeTest[69340:1847703] ==========================================================
2017-08-23 10:43:32.862988+0800 RuntimeTest[69340:1847703] property's name: integer
2017-08-23 10:43:32.862997+0800 RuntimeTest[69340:1847703] property's name: dataArray
2017-08-23 10:43:32.863005+0800 RuntimeTest[69340:1847703] property's name: string
2017-08-23 10:43:32.863846+0800 RuntimeTest[69340:1847703] ==========================================================
2017-08-23 10:43:32.864015+0800 RuntimeTest[69340:1847703] method's signature: test1
2017-08-23 10:43:32.864060+0800 RuntimeTest[69340:1847703] method's signature: test2
2017-08-23 10:43:32.864123+0800 RuntimeTest[69340:1847703] method's signature: test3WithArg1:arg2:
2017-08-23 10:43:32.864154+0800 RuntimeTest[69340:1847703] method's signature: setDataArray:
2017-08-23 10:43:32.864169+0800 RuntimeTest[69340:1847703] method's signature: .cxx_destruct
2017-08-23 10:43:32.864212+0800 RuntimeTest[69340:1847703] method's signature: string
2017-08-23 10:43:32.864234+0800 RuntimeTest[69340:1847703] method's signature: setString:
2017-08-23 10:43:32.864244+0800 RuntimeTest[69340:1847703] method's signature: dataArray
2017-08-23 10:43:32.864252+0800 RuntimeTest[69340:1847703] method's signature: integer
2017-08-23 10:43:32.864261+0800 RuntimeTest[69340:1847703] method's signature: setInteger:
2017-08-23 10:43:32.864270+0800 RuntimeTest[69340:1847703] method test1
2017-08-23 10:43:32.864287+0800 RuntimeTest[69340:1847703] MyClass is responsd to selector: test3WithArg1:arg2:
2017-08-23 10:43:32.864295+0800 RuntimeTest[69340:1847703] call test1
2017-08-23 10:43:32.864350+0800 RuntimeTest[69340:1847703] ==========================================================
2017-08-23 10:43:32.864375+0800 RuntimeTest[69340:1847703] protocol name: NSCopying
2017-08-23 10:43:32.864384+0800 RuntimeTest[69340:1847703] protocol name: NSCoding
2017-08-23 10:43:32.864392+0800 RuntimeTest[69340:1847703] MyClass is responsed to protocol NSCoding
2017-08-23 10:43:32.864399+0800 RuntimeTest[69340:1847703] ==========================================================
动态创建类和对象
runtime真正强大之处在于可以在运行时的创建类和对象。
动态创建类
动态创建类涉及到以下几个函数:
// 创建一个新类和元类
Class objc_allocateClassPair ( Class superclass,const char *name, size_t extraBytes );
// 销毁一个类及其相关联的类
voidobjc_disposeClassPair ( Class cls );
// 在应用中注册由objc_allocateClassPair创建的类
voidobjc_registerClassPair ( Class cls );
objc_allocateClassPair函数:如果我们要创建一个根类,则superclass指定为Nil。extraBytes通常指定为0,该参数是分配给类和元类对象尾部的索引ivars的字节数。
为了创建一个新类,我们需要调用objc_allocateClassPair。然后使用诸如class_addMethod,class_addIvar等函数来为新创建的类添加方法、实例变量和属性等。完成这些后,我们需要调用objc_registerClassPair函数来注册类,之后这个新类就可以在程序中使用了。实例方法和实例变量应该添加到类自身上,而类方法应该添加到类的元类上。
objc_disposeClassPair函数用于销毁一个类,不过需要注意的是,如果程序运行中还存在类或其子类的实例,则不能调用针对类调用该方法。
void submethod(id self, SEL _cmd){
NSLog(@"new submethod");
}
void replaceMethod(id self, SEL _cmd){
NSLog(@"replace test1");
}
Class cls = objc_allocateClassPair(TestClass.class, "TestSubClass", 0);
//添加方法
class_addMethod(cls, @selector(submethod1), (IMP)submethod, "v@:");
//替换父类方法
class_replaceMethod(cls, @selector(test1), (IMP)replaceMethod, "v@:");
//添加参数
class_addIvar(cls, "_name", sizeof(NSString *), log(sizeof(NSString *)), "i");
//添加属性
objc_property_attribute_t type = {"T", "@\"NSString\""}; //type
objc_property_attribute_t ownership = { "C", "" }; // C = copy
objc_property_attribute_t backingivar = { "V", "_property2"}; // V = variable name
// objc_property_attribute_t ownership = { "N", "" }; // N = nonatomic
objc_property_attribute_t attrs[] = {type, ownership, backingivar};
class_addProperty(cls, "property2", attrs, 3);
objc_registerClassPair(cls);
id instance = [[cls alloc] init];
[instance performSelector:@selector(submethod1)];
[instance performSelector:@selector(test1)];
小结
在这一章中我们介绍了Runtime运行时中与类和对象相关的数据结构,通过这些数据函数,我们可以管窥Objective-C底层面向对象实现的一些信息。另外,通过丰富的操作函数,可以灵活地对这些数据进行操作。