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JSPatch实现原理详解
注：本文较早撰写，随着 JSPatch 的改进，有些内容已与最新代码对不上，建议转看重新整理后的JSPatch实现原理详解。
JSPatch以小巧的体积做到了让JS调用/替换任意OC方法，让iOS APP具备热更新的能力，在实现 JSPatch 过程中遇到过很多困难也踩过很多坑，有些还是挺值得分享的。本篇文章从基础原理、方法调用和方法替换三块内容介绍整个 JSPatch 的实现原理，并把实现过程中的想法和碰到的坑也尽可能记录下来。
基础原理
能做到通过JS调用和改写OC方法最根本的原因是 Objective-C 是动态语言，OC上所有方法的调用/类的生成都通过 Objective-C Runtime 在运行时进行，我们可以通过类名/方法名反射得到相应的类和方法：
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4Classclass=NSClassFromString("UIViewController");
idviewController = [[classalloc] init];
SELselector =NSSelectorFromString("viewDidLoad");
[viewController performSelector:selector];
也可以替换某个类的方法为新的实现：
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2staticvoidnewViewDidLoad(idslf,SELsel) {}
class_replaceMethod(class, selector, newViewDidLoad,@"");
还可以新注册一个类，为类添加方法：
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3Class cls = objc_allocateClassPair(superCls,"JPObject", 0);
objc_registerClassPair(cls);
class_addMethod(cls, selector, implement, typedesc);
对于 Objective-C 对象模型和动态消息发送的原理已有很多文章阐述得很详细，例如这篇，这里就不详细阐述了。理论上你可以在运行时通过类名/方法名调用到任何OC方法，替换任何类的实现以及新增任意类。所以 JSPatch 的原理就是：JS传递字符串给OC，OC通过 Runtime 接口调用和替换OC方法。这是最基础的原理，实际实现过程还有很多怪要打，接下来看看具体是怎样实现的。
方法调用
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4require('UIView')
varview = UIView.alloc().init()
view.setBackgroundColor(require('UIColor').grayColor())
view.setAlpha(0.5)
引入JSPatch后，可以通过以上JS代码创建了一个 UIView 实例，并设置背景颜色和透明度，涵盖了require引入类，JS调用接口，消息传递，对象持有和转换，参数转换这五个方面，接下来逐一看看具体实现。
1.require
调用require(‘UIView’)后，就可以直接使用UIView这个变量去调用相应的类方法了，require 做的事很简单，就是在JS全局作用域上创建一个同名变量，变量指向一个对象，对象属性__isCls表明这是一个 Class，__clsName保存类名，在调用方法时会用到这两个属性。
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9var_require =function(clsName) {
if(!global[clsName]) {
global[clsName] = {
__isCls: 1,
__clsName: clsName
}
}
returnglobal[clsName]
}
所以调用require(‘UIView’)后，就在全局作用域生成了 UIView 这个变量，指向一个这样一个对象：
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4{
__isCls: 1,
__clsName:"UIView"
}
2.JS接口
接下来看看UIView.alloc()是怎样调用的。
旧实现
对于这个调用的实现，一开始我的想法是，根据JS特性，若要让UIView.alloc()这句调用不出错，唯一的方法就是给UIView这个对象添加alloc方法，不然是不可能调用成功的，JS对于调用没定义的属性/变量，只会马上抛出异常，而不像OC/Lua/ruby那样会有转发机制。所以做了一个复杂的事，就是在require生成类对象时，把类名传入OC，OC通过 Runtime 方法找出这个类所有的方法返回给JS，JS类对象为每个方法名都生成一个函数，函数内容就是拿着方法名去OC调用相应方法。生成的 UIView 对象大致是这样的：
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8{
__isCls: 1,
__clsName:"UIView",
alloc:function() {…},
beginAnimations_context:function() {…},
setAnimationsEnabled:function(){…},
...
}
实际上不仅要遍历当前类的所有方法，还要循环找父类的方法直到顶层，整个继承链上的所有方法都要加到JS对象上，一个类就有几百个方法，这样把方法全部加到JS对象上，碰到了挺严重的问题，引入几个类就内存暴涨，无法使用。后来为了优化内存问题还在JS搞了继承关系，不把继承链上所有方法都添加到一个JS对象，避免像基类 NSObject 的几百个方法反复添加在每个JS对象上，每个方法只存在一份，JS对象复制了OC对象的继承关系，找方法时沿着继承链往上找，结果内存消耗是小了一些，但还是大到难以接受。
新实现
当时继续苦苦寻找解决方案，若按JS语法，这是唯一的方法，但若不按JS语法呢？突然脑洞开了下，CoffieScript/JSX都可以用JS实现一个解释器实现自己的语法，我也可以通过类似的方式做到，再进一步想到其实我想要的效果很简单，就是调用一个不存在方法时，能转发到一个指定函数去执行，就能解决一切问题了，这其实可以用简单的字符串替换，把JS脚本里的方法调用都替换掉。最后的解决方案是，在OC执行JS脚本前，通过正则把所有方法调用都改成调用__c()函数，再执行这个JS脚本，做到了类似OC/Lua/Ruby等的消息转发机制：
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3UIView.alloc().init()
->
UIView.__c('alloc')().__c('init')()
给JS对象基类 Object 的 prototype 加上__c成员，这样所有对象都可以调用到__c，根据当前对象类型判断进行不同操作：
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8Object.prototype.__c =function(methodName) {
if(!this.__obj && !this.__clsName)returnthis[methodName].bind(this);
varself =this
returnfunction(){
varargs = Array.prototype.slice.call(arguments)
return_methodFunc(self.__obj, self.__clsName, methodName, args, self.__isSuper)
}
}
_methodFunc()就是把相关信息传给OC，OC用 Runtime 接口调用相应方法，返回结果值，这个调用就结束了。
这样做不用去OC遍历对象方法，不用在JS对象保存这些方法，内存消耗直降99%，这一步是做这个项目最爽的时候，用一个非常简单的方法解决了严重的问题，替换之前又复杂效果又差的实现。
3.消息传递
解决了JS接口问题，接下来看看JS和OC是怎样互传消息的。这里用到了 JavaScriptCore 的接口，OC端在启动JSPatch引擎时会创建一个 JSContext 实例，JSContext 是JS代码的执行环境，可以给 JSContext 添加方法，JS就可以直接调用这个方法：
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5JSContext *context = [[JSContext alloc] init];
context[@"hello"] = ^(NSString*msg) {
NSLog(@"hello %@", msg);
};
[_context evaluateScript:@"hello('word')"];//output hello word
JS通过调用 JSContext 定义的方法把数据传给OC，OC通过返回值传会给JS。调用这种方法，它的参数/返回值 JavaScriptCore 都会自动转换，OC里的 NSArray, NSDictionary, NSString, NSNumber, NSBlock 会分别转为JS端的数组/对象/字符串/数字/函数类型。上述_methodFunc()方法就是这样把要调用的类名和方法名传递给OC的。
4.对象持有/转换
UIView.alloc()通过上述消息传递后会到OC执行[UIView alloc]，并返回一个UIView实例对象给JS，这个OC实例对象在JS是怎样表示的呢？怎样可以在JS拿到这个实例对象后可以直接调用它的实例方法(UIView.alloc().init())？
对于一个自定义id对象，JavaScriptCore 会把这个自定义对象的指针传给JS，这个对象在JS无法使用，但在回传给OC时OC可以找到这个对象。对于这个对象生命周期的管理，按我的理解如果JS有变量引用时，这个OC对象引用计数就加1 ，JS变量的引用释放了就减1，如果OC上没别的持有者，这个OC对象的生命周期就跟着JS走了，会在JS进行垃圾回收时释放。
传回给JS的变量是这个OC对象的指针，如果不经过任何处理，是无法通过这个变量去调用实例方法的。所以在返回对象时，JSPatch 会对这个对象进行封装。
首先，告诉JS这是一个OC对象：
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5staticNSDictionary*toJSObj(idobj)
{
if(!obj)returnnil;
return@{@"__isObj": @(YES),@"cls":NSStringFromClass([objclass]),@"obj": obj};
}
用__isObj表示这是一个OC对象，对象指针也一起返回。接着在JS端会把这个对象转为一个 JSClass 实例：
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16varJSClass
var_getJSClass =function(className) {
if(!JSClass) {
JSClass =function(obj, className, isSuper) {
this.__obj = obj
this.__isSuper = isSuper
this.__clsName = className
}
}
returnJSClass
}
var_toJSObj =function(meta) {
varJSClass = _getJSClass()
returnnewJSClass(meta["obj"], meta["cls"])
}
JS端如果发现返回是一个OC对象，会传入_toJSObj()，生成一个JSClass实例，这个实例保存着OC对象指针，类名等。这个实例就是OC对象在 JSPatch 对应的JS对象，生命周期是一样的。
回到我们第二点说的 JS接口， 这个 JSClass 实例对象同样有__c函数，调用这个对象的方法时，同样走到__c函数，__c函数会把JSClass实例对象里的OC对象指针以及要调用的方法名和参数回传给OC，这样OC就可以调用这个对象的实例方法了。
接着看看对象是怎样回传给OC的。上述例子中，view.setBackgroundColor(require(‘UIColor’).grayColor())，这里生成了一个 UIColor 实例对象，并作为参数回传给OC。根据上面说的，这个 UIColor 实例在JS中的表示是一个 JSClass 实例，所以不能直接回传给OC，这里的参数实际上会在__c函数进行处理，会把对象的.__obj原指针回传给OC。
最后一点，OC对象可能会存在于 NSDictionary / NSArray 等容器里，所以需要遍历容器挑出OC对象进行格式化，OC需要把对象都替换成JS认得的格式，JS要把对象转成 JSClass 实例，JS实例回传给OC时需要把实例转为OC对象指针。所以OC流出数据时都会经过formatOCObj()方法处理，JS从OC得到数据时都会经过_formatOCToJS()处理，JS传参数给OC时会经过_formatJSToOC()处理，图示：
5.类型转换
JS把要调用的类名/方法名/对象传给OC后，OC调用类/对象相应的方法是通过 NSInvocation 实现，要能顺利调用到方法并取得返回值，要做两件事：
1.取得要调用的OC方法各参数类型，把JS传来的对象转为要求的类型进行调用。
2.根据返回值类型取出返回值，包装为对象传回给JS。
例如开头例子的view.setAlpha(0.5)， JS传递给OC的是一个 NSNumber，OC需要通过要调用OC方法的NSMethodSignature得知这里参数要的是一个 float 类型值，于是把NSNumber转为float值再作为参数进行OC方法调用。这里主要处理了 int/float/bool 等数值类型，并对 CGRect/CGRange 等类型进行了特殊转换处理，剩下的就是实现细节了。
方法替换
JSPatch 可以用defineClass接口任意替换一个类的方法，方法替换的实现过程也是颇为曲折，一开始是用 va_list 的方式获取参数，结果发现 arm64 下不可用，只能转而用另一种hack方式绕道实现。另外在给类新增方法、实现property、支持self/super关键字上也费了些功夫，下面逐个说明。
基础原理
OC上，每个类都是这样一个结构体：
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6structobjc_class {
structobjc_class * isa;
constchar*name;
….
structobjc_method_list **methodLists;/*方法链表*/
};
其中 methodList 方法链表里存储的是Method类型：
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6typedefstructobjc_method *Method;
typedefstructobjc_ method {
SELmethod_name;
char*method_types;
IMP method_imp;
};
Method 保存了一个方法的全部信息，包括SEL方法名，type各参数和返回值类型，IMP该方法具体实现的函数指针。
通过 Selector 调用方法时，会从 methodList 链表里找到对应Method进行调用，这个 methodList 上的的元素是可以动态替换的，可以把某个 Selector 对应的函数指针IMP替换成新的，也可以拿到已有的某个 Selector 对应的函数指针IMP，让另一个 Selector 跟它对应，Runtime 提供了一些接口做这些事，以替换 UIViewController 的-viewDidLoad:方法为例：
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20staticvoidviewDidLoadIMP (idslf,SELsel) {
JSValue *jsFunction = …;
[jsFunction callWithArguments:nil];
}
Class cls =NSClassFromString(@"UIViewController");
SELselector =@selector(viewDidLoad);
Method method = class_getInstanceMethod(cls, selector);
//获得viewDidLoad方法的函数指针
IMP imp = method_getImplementation(method)
//获得viewDidLoad方法的参数类型
char*typeDescription = (char*)method_getTypeEncoding(method);
//新增一个ORIGViewDidLoad方法，指向原来的viewDidLoad实现
class_addMethod(cls,@selector(ORIGViewDidLoad), imp, typeDescription);
//把viewDidLoad IMP指向自定义新的实现
class_replaceMethod(cls, selector, viewDidLoadIMP, typeDescription);
这样就把 UIViewController 的-viewDidLoad方法给替换成我们自定义的方法，APP里调用 UIViewController 的viewDidLoad方法都会去到上述viewDidLoadIMP函数里，在这个新的IMP函数里调用JS传进来的方法，就实现了替换-viewDidLoad方法为JS代码里的实现，同时为 UIViewController 新增了个方法-ORIGViewDidLoad指向原来 viewDidLoad 的IMP，JS可以通过这个方法调用到原来的实现。
方法替换就这样很简单的实现了，但这么简单的前提是，这个方法没有参数。如果这个方法有参数，怎样把参数值传给我们新的IMP函数呢？例如 UIViewController 的-viewDidAppear:方法，调用者会传一个Bool值，我们需要在自己实现的IMP（上述的viewDidLoadIMP）上拿到这个值，怎样能拿到？如果只是针对一个方法写IMP，是可以直接拿到这个参数值的：
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3staticvoidviewDidAppear (idslf,SELsel,BOOLanimated) {
[function callWithArguments:@(animated)];
}
但我们要的是实现一个通用的IMP，任意方法任意参数都可以通过这个IMP中转，拿到方法的所有参数回调JS的实现。
va_list实现(32位)
最初我是用可变参数va_list实现：
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31staticvoidcommonIMP(idslf, ...)
va_list args;
va_start(args, slf);
NSMutableArray*list = [[NSMutableArrayalloc] init];
NSMethodSignature*methodSignature = [cls instanceMethodSignatureForSelector:selector];
NSUIntegernumberOfArguments = methodSignature.numberOfArguments;
idobj;
for(NSUIntegeri = 2; i < numberOfArguments; i++) {
constchar*argumentType = [methodSignature getArgumentTypeAtIndex:i];
switch(argumentType[0]) {
case'i':
obj = @(va_arg(args,int));
break;
case'B':
obj = @(va_arg(args,BOOL));
break;
case'f':
case'd':
obj = @(va_arg(args,double));
break;
……//其他数值类型
default: {
obj = va_arg(args,id);
break;
}
}
[list addObject:obj];
}
va_end(args);
[function callWithArguments:list];
}
这样无论方法参数是什么，有多少个，都可以通过va_list的一组方法一个个取出来，组成NSArray在调用JS方法时传回。很完美地解决了参数的问题，一直运行正常，直到我跑在arm64的机子上测试，一调用就crash。查了资料，才发现arm64下va_list的结构改变了，导致无法上述这样取参数。详见这篇文章。
ForwardInvocation实现(64位)
后来找到另一种非常hack的方法解决参数获取的问题，利用了OC消息转发机制。
当调用一个 NSObject 对象不存在的方法时，并不会马上抛出异常，而是会经过多层转发，层层调用对象的-resolveInstanceMethod:,-forwardingTargetForSelector:,-methodSignatureForSelector:,-forwardInvocation:等方法，这篇文章说得比较清楚，其中最后-forwardInvocation:是会有一个 NSInvocation 对象，这个 NSInvocation 对象保存了这个方法调用的所有信息，包括 Selector 名，参数和返回值类型，最重要的是有所有参数值，可以从这个 NSInvocation 对象里拿到调用的所有参数值。我们可以想办法让每个需要被JS替换的方法调用最后都调到-forwardInvocation:，就可以解决无法拿到参数值的问题了。
具体实现，以替换 UIViewController 的-viewWillAppear:方法为例：
把UIViewController的-viewWillAppear:方法通过class_replaceMethod()接口指向一个不存在的IMP:class_getMethodImplementation(cls, @selector(__JPNONImplementSelector))，这样调用这个方法时就会走到-forwardInvocation:。
为 UIViewController 添加-ORIGviewWillAppear:和-_JPviewWillAppear:两个方法，前者指向原来的IMP实现，后者是新的实现，稍后会在这个实现里回调JS函数。
改写 UIViewController 的-forwardInvocation:方法为自定义实现。一旦OC里调用 UIViewController 的-viewWillAppear:方法，经过上面的处理会把这个调用转发到-forwardInvocation:，这时已经组装好了一个 NSInvocation，包含了这个调用的参数。在这里把参数从 NSInvocation 反解出来，带着参数调用上述新增加的方法-JPviewWillAppear:，在这个新方法里取到参数传给JS，调用JS的实现函数。整个调用过程就结束了，整个过程图示如下：
最后一个问题，我们把 UIViewController 的-forwardInvocation:方法的实现给替换掉了，如果程序里真有用到这个方法对消息进行转发，原来的逻辑怎么办？首先我们在替换-forwardInvocation:方法前会新建一个方法-ORIGforwardInvocation:，保存原来的实现IMP，在新的-forwardInvocation:实现里做了个判断，如果转发的方法是我们想改写的，就走我们的逻辑，若不是，就调-ORIGforwardInvocation:走原来的流程。
实现过程中还碰到一个坑，就是从-forwardInvocation:里的 NSInvocation 对象取参数值时，若参数值是id类型，我们会这样取:
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2idarg;
[invocation getArgument:&arg atIndex:i];
但这样取某些时候会导致莫名其妙的crash，而且不是crash在这个地方，似乎这里的指针取错导致后续的内存错乱，crash在各种地方，这个bug查了我半天才定位到这里，至今不知为什么。后来以这样的方式解决了：
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3void*arg;
[invocation getArgument:&arg atIndex:i];
ida = (__bridgeid)arg;
其他就是实现上的细节了，例如需要根据不同的返回值类型生成不同的IMP，要在各处处理参数转换等。
新增方法
在 JSPatch 刚开源时，是不支持为一个类新增方法的，因为觉得能替换原生方法就够了，新的方法纯粹添加在JS对象上，只在JS端跑就行了。另外OC为类新增方法需要知道各个参数和返回值的类型，需要在JS定一种方式把这些类型传给OC才能完成新增方法，比较麻烦。后来挺多人比较关注这个问题，不能新增方法导致 action-target 模式无法用，我也开始想有没有更好的方法实现添加方法。一开始想到，反正新增的方法都是JS在用，不如新增的方法返回值和参数全统一成id类型，这样就不用传类型了，但还是需要知道参数个数，后来跟Lancy聊天时找到了解决方案，JS可以获得函数参数个数，直接封装一下把参数个数一并传给OC就行了。
现在defineClass定义的方法会经过JS包装，变成一个包含参数个数和方法实体的数组传给OC，OC会判断如果方法已存在，就执行替换的操作，若不存在，就调用class_addMethod()新增一个方法，通过传过来的参数个数和方法实体生成新的 Method，把 Method 的参数和返回值类型都设为id。
这里有个问题，若某个类实现了某protocol，protocol方法里有可选的方法，它的参数不全是id类型，例如UITableViewDataSource的一个方法：
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- (NSInteger)tableView:(UITableView *)tableView sectionForSectionIndexTitle:(NSString*)title atIndex:(NSInteger)index;
若原类没有实现这个方法，在JS里实现了，会走到新增方法的逻辑，每个参数类型都变成id，与这个 protocol 方法不匹配，产生错误。后续会处理 protocol 的问题，若新增的方法是 protocol 实现的方法，会取这个方法的NSMethodSignature获得正确的参数类型进行添加。
Property实现
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9defineClass('JPTableViewController : UITableViewController', {
dataSource:function() {
vardata = self.getProp('data')
if(data)returndata;
data = [1,2,3]
self.setProp_forKey(data,'data')
returndata;
}
}
JSPatch 可以通过-getProp:，-setProp:forKey:这两个方法给对象添加成员变量。实现上用了运行时关联接口objc_getAssociatedObject()和objc_setAssociatedObject()模拟，相当于把一个对象跟当前对象 self 关联起来，以后可以通过当前对象 self 找到这个对象，跟成员的效果一样，只是一定得是id对象类型。
本来OC有class_addIvar()可以为类添加成员，但必须在类注册之前添加完，注册完成后无法添加，这意味着可以为在JS新增的类添加成员，但不能为OC上已存在的类添加，所以只能用上述方法模拟。
self关键字
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6defineClass("JPViewController: UIViewController", {
viewDidLoad:function() {
varview = self.view()
...
},
}
JSPatch支持直接在defineClass里的实例方法里直接使用 self 关键字，跟OC一样 self 是指当前对象，这个 self 关键字是怎样实现的呢？实际上这个self是个全局变量，在 defineClass 里对实例方法 方法进行了包装，在调用实例方法之前，会把全局变量 self 设为当前对象，调用完后设回空，就可以在执行实例方法的过程中使用 self 变量了。这是一个小小的trick。
super关键字
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5defineClass("JPViewController: UIViewController", {
viewDidLoad:function() {
self.super.viewDidLoad()
},
}
OC里 super 是一个关键字，无法通过动态方法拿到 super，那么 JSPatch 的super是怎么实现的？实际上调用 super 的方法，OC做的事是调用父类的某个方法，并把当前对象当成 self 传入父类方法，我们只要模拟它这个过程就行了。
首先JS端需要告诉OC想调用的是当前对象的 super 方法，做法是调用self.super时，会返回一个新的JSClass实例，这个实例同样保存了OC对象的引用，同时标识__isSuper=1。
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11JSClass =function(obj, className, isSuper) {
this.__obj = obj
this.__isSuper = isSuper
this.__clsName = className
}
JSClass.prototype.__defineGetter__('super',function(){
if(!this.__super) {
this.__super =newJSClass(this.__obj,this.__clsName, 1)
}
returnthis.__super
})
调用方法时，__isSuper会传给OC，告诉OC要调 super 的方法。OC做的事情是，如果是调用 super 方法，找到 superClass 这个方法的IMP实现，为当前类新增一个方法指向 super 的IMP实现，那么调用这个类的新方法就相当于调用 super 方法。把要调用的方法替换成这个新方法，就完成 super 方法的调用了。
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15staticidcallSelector(NSString*className,NSString*selectorName,NSArray*arguments,idinstance,BOOLisSuper) {
...
if(isSuper) {
NSString*superSelectorName = [NSStringstringWithFormat:@"SUPER_%@", selectorName];
SELsuperSelector =NSSelectorFromString(superSelectorName);
Class superCls = [cls superclass];
Method superMethod = class_getInstanceMethod(superCls, selector);
IMP superIMP = method_getImplementation(superMethod);
class_addMethod(cls, superSelector, superIMP, method_getTypeEncoding(superMethod));
selector = superSelector;
}
...
}
总结
整个 JSPatch 实现原理就大致描述完了，剩下的一些小点，例如GCD接口，block实现，方法名下划线处理等就不细说了，可以直接看代码。JSPatch 还在持续改进中，希望能成为iOS平台动态更新的最佳解决方案，欢迎大家一起建设这个项目，github地址：https://github.com/bang590/JSPatch
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