传送：runtime官方源码、github源码
感谢：简书Sam_Lau
将C++和Objective进行对比，虽然C++和Objective-C都是在C的基础上加入面向对象的特性扩充而成的程序设计语言，但二者实现的机制差异很大。C++是基于静态类型，而Objective-C是基于动态运行时类型。也就是说用C++编写的程序编译时就直接编译成了可令机器读懂的机器语言；用Objective-C编写的程序不能直接编译成可令机器读懂的机器语言，而是在程序运行的时候，通过Runtime把程序转为可令机器读懂的机器语言。Runtime是Objective不可缺少的重要一部分。
一、runtime简介
runtime是一套底层的C语言API，包含很多强大实用的C语言数据类型和C语言函数，平时我们编写的OC代码，底层都是基于runtime实现的。
二、Runtime数据结构
在Objective-C中，代码在程序运行过程中都会被转化成runtime的C代码执行，例如[target doSomething];
会被转化成objc_msgSend(target, @selector(doSomething));
1. id和Class
打开/Public Headers/objc.h文件可以看到如下定义：
#if !OBJC_TYPES_DEFINED
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
#endif
Class是一个指向objc_class结构体的指针，而id是一个指向objc_object结构体的指针，其中的isa是一个指向objc_class结构体的指针。其中的id就是我们所说的对象，Class就是我们所说的类。
打开/Public Headers/runtime.h文件objc_class的定义如下：
typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY; // metaclass
#if !__OBJC2__
Class super_class OBJC2_UNAVAILABLE; // 父类
const char *name OBJC2_UNAVAILABLE; // 类名
long version OBJC2_UNAVAILABLE; // 类的版本信息，默认为0，可以通过runtime函数class_setVersion或者class_getVersion进行修改、读取
long info OBJC2_UNAVAILABLE; // 类信息，供运行时期使用的一些位标识，如CLS_CLASS (0x1L) 表示该类为普通 class，其中包含实例方法和变量;CLS_META (0x2L) 表示该类为 metaclass，其中包含类方法;
long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE; // 该类的实例变量大小（包括从父类继承下来的实例变量）
struct objc_ivar_list *ivars OBJC2_UNAVAILABLE; // 该类的成员变量地址列表
struct objc_method_list **methodLists OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法地址列表，与 info 的一些标志位有关，如CLS_CLASS (0x1L)，则存储实例方法，如CLS_META (0x2L)，则存储类方法;
struct objc_cache *cache OBJC2_UNAVAILABLE; // 缓存最近使用的方法地址，用于提升效率；
struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE; // 存储该类声明遵守的协议的列表
#endif
}
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */
注意：OBJC2_UNAVAILABLE是一个Apple对Objc系统运行版本进行约束的宏定义，主要为了兼容非Objective-C 2.0的遗留版本，但我们仍能从中获取一些有用信息。
由以上代码可见，类与对象的区别就是类比对象多了很多特征成员，�类也可以当做一个objc_object来对待，也就是说类和对象都是对象，分别称作类对象（class object）和实例对象（instance object），这样我们就可以区别对象和类了。
上图实线是super_class指针，虚线是isa指针。有几个关键点需要解释以下：
- Root class (class)其实就是NSObject，NSObject是没有超类的，所以Root class(class)的superclass指向nil。
- 每个Class都有一个isa指针指向唯一的Meta class
- Root class(meta)的superclass指向Root class(class)，也就是NSObject，形成一个回路。
- 每个Meta class的isa指针都指向Root class (meta)。
- 所有的metaclass中isa指针都是指向根metaclass，而根metaclass则指向自身。根metaclass是通过继承根类产生的，与根class结构体成员一致，不同的是根metaclass的isa指针指向自身。
- isa：objc_object（实例对象）中isa指针指向的类结构称为class（也就是该对象所属的类）其中存放着普通成员变量与动态方法（“-”开头的方法）；此处isa指针指向的类结构称为metaclass，其中存放着static类型的成员变量与static类型的方法（“+”开头的方法）。
2. SEL
SEL是selector在Objective-C中的表示类型。selector可以理解为区别方法的ID。
typedef struct objc_selector *SEL;
objc_selector的定义如下：
struct objc_selector {
char *name; OBJC2_UNAVAILABLE;// 名称
char *types; OBJC2_UNAVAILABLE;// 类型
};
name和types都是char类型。
3. IMP
终于到IMP了，它在objc.h中得定义如下：
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);
IMP是“implementation”的缩写，它是由编译器生成的一个函数指针。当你发起一个消息后（下文介绍），这个函数指针决定了最终执行哪段代码。可以绕开消息传递阶段而去执行另一个方法实现。
4. Method
Method代表类中的某个方法的类型。
typedef struct objc_method *Method;
objc_method的定义如下：
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法名
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法类型
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法实现
}
方法名method_name类型为SEL，上文提到过。方法类型method_types是一个char指针，存储着方法的参数类型和返回值类型。方法实现method_imp的类型为IMP，上文提到过。
5. Ivar
Ivar代表类中实例变量的类型
typedef struct objc_ivar *Ivar;
objc_ivar的定义如下：
struct objc_ivar {
char *ivar_name OBJC2_UNAVAILABLE; // 变量名
char *ivar_type OBJC2_UNAVAILABLE; // 变量类型
int ivar_offset OBJC2_UNAVAILABLE; // �基地址偏移字节
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE; // 占用空间
#endif
}
6. objc_property_t
objc_property_t是属性，它的定义如下：
typedef struct objc_property *objc_property_t;
objc_property是内置的类型，与之关联的还有一个objc_property_attribute_t，它是属性的attribute，也就是其实是对属性的详细描述，包括属性名称、属性编码类型、原子类型/非原子类型等。它的定义如下：
typedef struct {
const char *name; // 名称
const char *value; // 值（通常是空的）
} objc_property_attribute_t;
7. Cache
Catch的定义如下：
typedef struct objc_cache *Cache
objc_cache的定义如下：
struct objc_cache {
unsigned int mask OBJC2_UNAVAILABLE;
unsigned int occupied OBJC2_UNAVAILABLE;
Method buckets[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
};
mask: 指定分配cache buckets的总数。在方法查找中，Runtime使用这个字段确定数组的索引位置。occupied: 实际占用cache buckets的总数。buckets: 指定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。objc_msgSend（下文讲解）每调用一次方法后，就会把该方法缓存到cache列表中，下次的时候，就直接优先从cache列表中寻找，如果cache没有，才从methodLists中查找方法。
8. Catagory
这个就是我们平时所说的类别了，很熟悉吧。它可以动态的为已存在的类添加新的方法。它的定义如下：
typedef struct objc_category *Category;
objc_category的定义如下：
struct objc_category {
char *category_name OBJC2_UNAVAILABLE; // 类别名称
char *class_name OBJC2_UNAVAILABLE; // 类名
struct objc_method_list *instance_methods OBJC2_UNAVAILABLE; // 实例方法列表
struct objc_method_list *class_methods OBJC2_UNAVAILABLE; // 类方法列表
struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE; // 协议列表
}
三、Objective-C的消息机制
1. 基本消息传递
在面向对象编程中，对象调用方法叫做发送消息。在编译时，程序的源代码就会从对象发送消息转换成Runtime的objc_msgSend函数调用。例如某实例变量receiver实现某一个方法oneMethod
[receiver oneMethod];
Runtime会将其转成类似这样的代码
objc_msgSend(receiver, selector);
objc_msgSend函数的调用过程：
- 第一步：检测这个selector是不是要忽略的。
- 第二步：检测这个target是不是nil对象。nil对象发送任何一个消息都会被忽略掉。
-
第三步：1.调用实例方法时，它会首先在自身isa指针指向的类
（class）methodLists中查找该方法，如果找不到则会通过class的super_class指针找到父类的类对象结构体，然后从methodLists中查找该方法，如果仍然找不到，则继续通过super_class向上一级父类结构体中查找，直至根class；2.当我们调用某个类方法时，它会首先通过自己的isa指针找到metaclass，并从其中methodLists中查找该类方法，如果找不到则会通过metaclass的super_class指针找到父类的metaclass对象结构体，然后从methodLists中查找该方法，如果仍然找不到，则继续通过super_class向上一级父类结构体中查找，直至根metaclass； - 第四步：前三步都找不到就会进入动态方法解析。
2. 消息动态解析
runtime如何优雅的crash：（在找不到调用的方法程序崩溃之前，你有机会通过重写NSObject的四个方法来处理）
第一步：通过resolveInstanceMethod：方法决定是否动态添加方法。如果返回Yes则通过class_addMethod动态添加方法，消息得到处理，结束；如果返回No，则进入下一步；
第二步：这步会进入forwardingTargetForSelector:方法，用于指定备选对象响应这个selector，不能指定为self。如果返回某个对象则会调用对象的方法，结束。如果返回nil，则进入第三部；
第三部：这步我们要通过methodSignatureForSelector:方法签名，如果返回nil，则消息无法处理。如果返回methodSignature，则进入下一步；
第四部：这步调用forwardInvocation：方法，我们可以通过anInvocation对象做很多处理，比如修改实现方法，修改响应对象等，如果方法调用成功，则结束。如果失败，则进入doesNotRecognizeSelector方法，若我们没有实现这个方法，那么就会crash。
3.Associated Objects
Categories can be used to declare either instance methods or class methods but are not usually suitable for declaring additional properties. It’s valid syntax to include a property declaration in a category interface, but it’s not possible to declare an additional instance variable in a category. This means the compiler won’t synthesize any instance variable, nor will it synthesize any property accessor methods. You can write your own accessor methods in the category implementation, but you won’t be able to keep track of a value for that property unless it’s already stored by the original class. (Programming with Objective-C)
当想使用Category对已存在的类进行扩展时，一般只能添加实例方法或类方法，而不适合添加额外的属性。虽然可以在Category头文件中声明property属性，但在实现文件中编译器是无法synthesize任何实例变量和属性访问方法。这时需要自定义属性访问方法并且使用Associated Objects来给已存在的类Category添加自定义的属性。Associated Objects提供三个API来向对象添加、获取和删除关联值：
- void objc_setAssociatedObject (id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy )
- id objc_getAssociatedObject (id object, const void *key )
- void objc_removeAssociatedObjects (id object )
其中objc_AssociationPolicy
是个枚举类型，它可以指定Objc内存管理的引用计数机制。
typedef OBJC_ENUM(uintptr_t, objc_AssociationPolicy) {
OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN = 0, /**< Specifies a weak reference to the associated object. */
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC = 1, /**< Specifies a strong reference to the associated object. * The association is not made atomically. */
OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC = 3, /**< Specifies that the associated object is copied. * The association is not made atomically. */
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN = 01401, /**< Specifies a strong reference to the associated object. * The association is made atomically. */
OBJC_ASSOCIATION_COPY = 01403 /**< Specifies that the associated object is copied. * The association is made atomically. */};
下面有个关于NSObject+AssociatedObject Category添加属性associatedObject
的示例代码:
NSObject+AssociatedObject.h
@interface NSObject (AssociatedObject)
@property (strong, nonatomic) id associatedObject;
@end
NSObject+AssociatedObject.m
@implementation NSObject (AssociatedObject)
- (void)setAssociatedObject:(id)associatedObject{
objc_setAssociatedObject(self, @selector(associatedObject), associatedObject, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}
- (id)associatedObject{
return objc_getAssociatedObject(self, _cmd);
}
@end
Associated Objects的key要求是唯一并且是常量，而SEL是满足这个要求的，所以上面的采用隐藏参数_cmd作为key。
4.Method Swizzling
Method Swizzling就是在运行时将一个方法的实现代替为另一个方法的实现。如果能够利用好这个技巧，可以写出简洁、有效且维护性更好的代码。可以参考两篇关于Method Swizzling技巧的文章：
nshipster Method Swizzling
Method Swizzling 和 AOP 实践
5.Aspect-Oriented Programming(AOP)
类似记录日志、身份验证、缓存等事务非常琐碎，与业务逻辑无关，很多地方都有，又很难抽象出一个模块，这种程序设计问题，业界给它们起了一个名字叫横向关注点(Cross-cutting concern)，AOP作用就是分离横向关注点(Cross-cutting concern)来提高模块复用性，它可以在既有的代码添加一些额外的行为(记录日志、身份验证、缓存)而无需修改代码。
危险性
Method Swizzling就像一把瑞士小刀，如果使用得当，它会有效地解决问题。但使用不当，将带来很多麻烦。在stackoverflow上有人已经提出这样一个问题：What are the Dangers of Method Swizzling in Objective C?，它的危险性主要体现以下几个方面：
- Method swizzling is not atomic
- Changes behavior of un-owned code
- Possible naming conflicts
- Swizzling changes the method's arguments
- The order of swizzles matters
- Difficult to understand (looks recursive)
- Difficult to debug
总结
虽然在平时项目不是经常用到Objective-C的Runtime特性，但当你阅读一些iOS开源项目时，你就会发现很多时候都会用到。所以深入理解Objective-C的Runtime数据结构、消息转发机制有助于你更容易地阅读和学习开源项目。
扩展阅读
玉令天下博客的Objective-C Runtime
顾鹏博客的Objective-C Runtime
Associated Objects
Method Swizzling
Method Swizzling 和 AOP 实践
Objective-C Runtime Reference
What are the Dangers of Method Swizzling in Objective C?
ios程序员6级考试（答案和解释）
Objective C类方法load和initialize的区别
