Runtime原理

Runtime是iOS核心运行机制之一，iOS App加载库、加载类、执行方法调用，全靠Runtime，这一块的知识个人认为是最基础的，基本面试必问。

Runtime消息发送机制

1）iOS调用一个方法时，实际上会调用objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)，该方法第一个参数是消息接收者，第二个参数是方法名，剩下的参数是方法参数；
2）iOS调用一个方法时，会先去该类的方法缓存列表里面查找是否有该方法，如果有直接调用，否则走第3）步；
3）去该类的方法列表里面找，找到直接调用，把方法加入缓存列表；否则走第4）步；
4）沿着该类的继承链继续查找，找到直接调用，把方法加入缓存列表；否则消息转发流程；
很多面试者大体知道这个流程，但是有关细节不是特别清楚。

• 问他/她objc_msgSend第一个参数、第二个参数、剩下的参数分别代表什么，不知道；
• 很多人只知道去方法列表里面查找，不知道还有个方法缓存列表。
  通过这些细节，可以了解一个人是否真正掌握了原理，而不是死记硬背。

Runtime消息转发机制

如果在消息发送阶段没有找到方法，iOS会走消息转发流程，流程图如下所示：

1）动态消息解析。检查是否重写了resolveInstanceMethod 方法，如果返回YES则可以通过class_addMethod 动态添加方法来处理消息，否则走第2）步；
2）消息target转发。forwardingTargetForSelector 用于指定哪个对象来响应消息。如果返回nil 则走第3）步；
3）消息转发。这步调用 methodSignatureForSelector 进行方法签名，这可以将函数的参数类型和返回值封装。如果返回 nil 执行第四步；否则返回 methodSignature，则进入 forwardInvocation ，在这里可以修改实现方法，修改响应对象等，如果方法调用成功，则结束。否则执行第4）步；
4）报错 unrecognized selector sent to instance。
很多人知道这四步，但是笔者一般会问：

• 怎么在项目里全局解决"unrecognized selector sent to instance"这类crash？本人发现很多人回答不出来，说明面试者肯定是在死记硬背，你都知道因为消息转发那三步都没处理才会报错，为什么不知道在消息转发里面处理呢？
• 如果面试者知道可以在消息转发里面处理，防止崩溃，再问下面试者，你项目中是在哪一步处理的，看看其是否有真正实践过？

消息缓存机制

• Runtime为每个类(不是每个类实例)缓存了一个方法列表，该方法列表采用hash表实现，hash表的优点是查找速度快，时间为O(1)。
• 父类方法的缓存只存在父类么，还是子类也会缓存父类的方法？
  子类会缓存父类的方法。
• 类的方法缓存大小有没有限制？
  在objc-cache.mm有一个变量_class_slow_grow定义如下：

/* When _class_slow_grow is non-zero, any given cache is actually grown
 * only on the odd-numbered times it becomes full; on the even-numbered
 * times, it is simply emptied and re-used.  When this flag is zero,
 * caches are grown every time. */
static const int _class_slow_grow = 1;

注释中说明，当_class_slow_grow是非0值的时候，只有当方法缓存第奇数次满（使用的槽位超过3/4）的时候，方法缓存的大小才会增长（会清空缓存，否则hash值就不对了）；当第偶数次满的时候，方法缓存会被清空并重新利用。 如果_class_slow_grow值为0，那么每一次方法缓存满的时候，其大小都会增长。
所以单就问题而言，答案是没有限制，虽然这个值被设置为1，方法缓存的大小增速会慢一点，但是确实是没有上限的。

• 为什么类的方法列表不直接做成散列表呢，做成list，还要单独缓存？
  1、散列表是没有顺序的，Objective-C的方法列表是一个list，是有顺序的；Objective-C在查找方法的时候会顺着list依次寻找，并且category的方法在原始方法list的前面，需要先被找到，如果直接用hash存方法，方法的顺序就没法保证。
  2、list的方法还保存了除了selector和imp之外其他很多属性
  3、散列表是有空槽的，会浪费空间
  参考资料：深入理解 Objective-C：方法缓存

load与initialize

load与initialize调用时机

+load在main函数之前被Runtime调用，+initialize 方法是在类或它的子类收到第一条消息之前被调用的，这里所指的消息包括实例方法和类方法的调用。

load与initialize在分类、继承链的调用顺序

load方法调用顺序

父类->主类->分类

• 主类的 +load 方法会在它的所有父类的 +load 方法之后执行。如果主类没有实现 +load 方法，当它被runtime加载时 是不会去调用父类的 +load 方法的。
• 分类的 +load 方法会在它的主类的 +load 方法之后执行,当一个类和它的分类都实现了 +load 方法时，两个方法都会被调用。当有多个分类时，根据编译顺序（Build Phases->Complie Sources中的顺序）依次执行。
• 在类的+load方法调用的时候，可以调用category中声明的方法么？
  可以调用，因为附加category到类的工作会先于+load方法的执行

initialize的调用顺序

+initialize 方法的调用与普通方法的调用是一样的，走的都是消息发送的流程。如果子类没有实现 +initialize 方法，那么继承自父类的实现会被调用；如果一个类的分类实现了 +initialize 方法，那么就会对这个类中的实现造成覆盖。

确保在load和initialize的调用只执行一次

由于initialize可能会调用多次，所以在这两个方法里面做的初始化操作需要保证只初始化一次，用dispatch_once来控制

类别

OC不像C++等高级语言能直接继承多个类，不过OC可以使用类别和协议来实现多继承。

类别加载时机

• 在App加载时，Runtime会把Category的实例方法、协议以及属性添加到类上；把Category的类方法添加到类的metaclass上。
• category的方法没有“完全替换掉”原来类已经有的方法，如果category和原来类都有methodA，那么category附加完成之后，类的方法列表里会有两个methodA。
• category的方法被放到了新方法列表的前面，而原来类的方法被放到了新方法列表的后面，这也就是我们平常所说的category的方法会“覆盖”掉原来类的同名方法，这是因为运行时在查找方法的时候是顺着方法列表的顺序查找的，它只要一找到对应名字的方法，就会停止查找，殊不知后面可能还有一样名字的方法。

类别和扩展区别

• extension在编译期决议，它是类的一部分，在编译期和头文件里的@interface以及实现文件里的@implement一起形成一个完整的类，它伴随类的产生而产生，亦随之一起消亡。extension一般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，所以你无法为系统的类比如NSString添加extension。
• 但是category则完全不一样，它是在运行期决议的。 就category和extension的区别来看，我们可以推导出一个明显的事实，extension可以添加实例变量，而category是无法添加实例变量的（因为在运行期，对象的内存布局已经确定，如果添加实例变量就会破坏类的内部布局，这对编译型语言来说是灾难性的）。
• category附加到类的工作会先于+load方法的执行。

类别添加属性、方法

• 在类别中不能直接以@property的方式定义属性，OC不会主动给类别属性生成setter和getter方法；需要通过objc_setAssociatedObject来实现。

@interface TestClass(ak)

@property(nonatomic,copy) NSString *name;

@end

@implementation TestClass (ak)

- (void)setName:(NSString *)name{

    objc_setAssociatedObject(self,  @selector(name), name, OBJC_ASSOCIATION_COPY);
}

- (NSString*)name{
    NSString *nameObject = objc_getAssociatedObject(self,  @selector(name));
    return nameObject;
}

• objc_setAssociatedObject key的定义用@selector(属性名)这样能保证key的唯一。
• 关联对象都由AssociationsManager管理。AssociationsManager里面是由一个静态AssociationsHashMap来存储所有的关联对象的。这相当于把所有对象的关联对象都存在一个全局map里面。而map的的key是这个对象的指针地址（任意两个不同对象的指针地址一定是不同的），而这个map的value又是另外一个AssociationsHashMap，里面保存了关联对象的kv对。
  runtime的销毁对象函数objc_destructInstance里面会判断这个对象有没有关联对象，如果有，会调用_object_remove_assocations做关联对象的清理工作

类别同名方法覆盖问题

• 如果类别和主类都有名叫funA的方法，那么在类别加载完成之后，类的方法列表里会有两个funA；
• 类别的方法被放到了新方法列表的前面，而主类的方法被放到了新方法列表的后面，这就造成了类别方法会“覆盖”掉原来类的同名方法，这是因为运行时在查找方法的时候是顺着方法列表的顺序查找的，它只要一找到对应名字的方法，就会停止查找；
• 如果多个类别定义了同名方法funA,具体调用哪个类别的实现由编译顺序决定（Build Phases->Complie Sources中的顺序），后编译的类别的实现将被调用。
• 在日常开发过程中，类别方法重名轻则造成调用不正确，重则造成crash，我们可以通过给类别方法名加前缀避免方法重名。

怎么调用被覆盖掉的方法

category其实并不是完全替换掉原来类的同名方法，只是category在方法列表的前面而已，所以我们只要顺着方法列表找到最后一个对应名字的方法，就可以调用原来类的方法。

Class currentClass = [TestClass class];
TestClass *my = [[TestClass alloc] init];

if (currentClass) {
    unsigned int methodCount;
    Method *methodList = class_copyMethodList(currentClass, &methodCount);
    IMP lastImp = NULL;
    SEL lastSel = NULL;
    for (NSInteger i = 0; i < methodCount; i++) {
        Method method = methodList[i];
        NSString *methodName = [NSString stringWithCString:sel_getName(method_getName(method)) 
                                        encoding:NSUTF8StringEncoding];
        if ([@"printName" isEqualToString:methodName]) {
            lastImp = method_getImplementation(method);
            lastSel = method_getName(method);
        }
    }
    typedef void (*fn)(id,SEL);

    if (lastImp != NULL) {
        fn f = (fn)lastImp;
        f(my, lastSel);
    }
    free(methodList);
}   

关于类别更深入的解析可以参见美团的技术文章深入理解Objective-C：Category

协议

定义

iOS中的协议类似于Java、C++中的接口类，协议在OC中可以用来实现多继承和代理。

方法声明

协议中的方法可以声明为@required（要求实现，如果没有实现，会发出警告，但编译不报错）或者@optional（不要求实现，不实现也不会有警告）。如果不声明，默认为@required。
笔者经常会问面试者如下两个问题：
-怎么判断一个类是否实现了某个协议？很多人不知道可以通过conformsToProtocol来判断。
-假如你要求业务方实现一个delegate，你怎么判断业务方有没有实现dalegate的某个方法？很多人不知道可以通过respondsToSelector来判断。

其他

Class的定义

在oc中打开objc.h

typedef struct objc_class *Class;     //Class是指向结构体objc_class的指针

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY; //isa，代表的是该类类对象

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE; //父类
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE; //类名
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE; 
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE; //对象大小
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE; //成员变量列表
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE; //实例方法列表
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE; //方法缓存列表（是个hash表），用来消息发送时候，快速查找方法
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE; //类实现协议列表
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

怎么枚举一个类的方法列表？

class_copyMethodList

怎么枚举一个类的属性列表？

class_copyPropertyList

怎么枚举一个类的成员变量列表？

class_copyIvarList

怎么枚举一个类实现的协议列表？

class_copyProtocolList

id和instancetype的区别

• id能用做返回值、参数。instancetype只能用做返回值。
• instancetype是类型相关的，如果把一个instancetype的对象赋值给另外类，编译器会警告。id不会。

Runtime开源代码

runtime是开源的，可以在Apple Github和Apple OpenSource下载来阅读。
参考资料：
Objective-C中的Runtime