Runtime 运行时之一：类与对象，成员变量与属性，方法与消息

Objective-C语言是一门动态语言，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。这种动态语言的优势在于：我们写代码时更具灵活性，如我们可以把消息转发给我们想要的对象，或者随意交换一个方法的实现等。

这种特性意味着Objective-C不仅需要一个编译器，还需要一个运行时系统来执行编译的代码。对于Objective-C来说，这个运行时系统就像一个操作系统一样：它让所有的工作可以正常的运行。这个运行时系统即Objc Runtime。Objc Runtime其实是一个Runtime库，它基本上是用C和汇编写的，这个库使得C语言有了面向对象的能力。

Runtime库主要做下面几件事：

  • 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。
  • 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。这将在后面详细介绍。

类与对象基础数据结构

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。它的定义如下：

typedef struct objc_class *Class;

查看objc/runtime.h中objc_class结构体的定义如下：

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#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
    long info                               OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类信息，供运行期使用的一些位标识
    long instance_size                      OBJC2_UNAVAILABLE;  // 该类的实例变量大小
    struct objc_ivar_list *ivars            OBJC2_UNAVAILABLE;  // 该类的成员变量链表
    struct objc_method_list **methodLists   OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法定义的链表
    struct objc_cache *cache                OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法缓存
    struct objc_protocol_list *protocols    OBJC2_UNAVAILABLE;  // 协议链表
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

在这个定义中，下面几个字段是我们感兴趣的

  • isa：需要注意的是在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)，我们会在后面介绍它。
  • 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。
  • 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。
  • 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，它可是让我们识别出不同类定义版本中实例变量布局的改变。

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 */                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    unsigned int occupied                                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    Method buckets[1]                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
};

该结构体的字段描述如下：

  • mask：一个整数，指定分配的缓存bucket的总数。在方法查找过程中，Objective-C runtime使用这个字段来确定开始线性查找数组的索引位置。指向方法selector的指针与该字段做一个AND位操作(index = (mask & selector))。这可以作为一个简单的hash散列算法。
  • occupied：一个整数，指定实际占用的缓存bucket的总数。
  • 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。

针对cache，我们用下面例子来说明其执行过程：

NSArray *array = [[NSArray alloc] init];

其流程是：

  1. [NSArray alloc]先被执行。因为NSArray没有+alloc方法，于是去父类NSObject去查找。
  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[[NSArray alloc] 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。

对象 objc_object与id

objc_object是表示一个类的实例的结构体，也就是对象，它的定义如下(objc/objc.h)：

typedef struct objc_object *id;
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

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。

元类(Meta Class)

在上面我们提到，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。

通过上面的描述，再加上对objc_class结构体中super_class指针的分析，我们就可以描绘出类及相应meta-class类的一个继承体系了，如下图所示：

201922890851909-1.jpg

对于NSObject继承体系来说，其实例方法对体系中的所有实例、类和meta-class都是有效的；而类方法对于体系内的所有类和meta-class都是有效的。

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图中类实例的isa指向类本身，类本身的isa指向元类，元类的isa指向根元类Root class，根元类的isa指向自身；其他的super_class指向父类的类本身及元类，最终父类指向nil；

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讲了这么多，我们还是来写个例子吧：

void TestMetaClass(id self, SEL _cmd) {
    NSLog(@"This objcet is %p", self);
    NSLog(@"Class is %@, super class is %@", [self class], [self superclass]);
    Class currentClass = [self class];
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        NSLog(@"Following the isa pointer %d times gives %p", i, currentClass);
        currentClass = objc_getClass((__bridge void *)currentClass);
    }
    NSLog(@"NSObject's class is %p", [NSObject class]);
    NSLog(@"NSObject's meta class is %p", objc_getClass((__bridge void *)[NSObject class]));
}
#pragma mark -
@implementation Test
- (void)ex_registerClassPair {
    Class newClass = objc_allocateClassPair([NSError class], "TestClass", 0);
    class_addMethod(newClass, @selector(testMetaClass), (IMP)TestMetaClass, "v@:");
    objc_registerClassPair(newClass);
    id instance = [[newClass alloc] initWithDomain:@"some domain" code:0 userInfo:nil];
    [instance performSelector:@selector(testMetaClass)];
}
@end

这个例子是在运行时创建了一个NSError的子类TestClass，然后为这个子类添加一个方法testMetaClass，这个方法的实现是TestMetaClass函数。

运行后，打印结果是

2014-10-20 22:57:07.352 mountain[1303:41490] This objcet is 0x7a6e22b0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Class is TestStringClass, super class is NSError
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Following the isa pointer 0 times gives 0x7a6e21b0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Following the isa pointer 1 times gives 0x0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Following the isa pointer 2 times gives 0x0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Following the isa pointer 3 times gives 0x0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] NSObject's class is 0xe10000
2014-10-20 22:57:07.354 mountain[1303:41490] NSObject's meta class is 0x0

我们在for循环中，我们通过objc_getClass来获取对象的isa，并将其打印出来，依此一直回溯到NSObject的meta-class。分析打印结果，可以看到最后指针指向的地址是0x0，即NSObject的meta-class的类地址。

这里需要注意的是：我们在一个类对象调用class方法是无法获取meta-class，它只是返回类而已。

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。

类名(name)

类名操作的函数主要有：


// 获取类的类名
const char * class_getName ( Class cls );

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 );

class_getSuperclass函数，当cls为Nil或者cls为根类时，返回Nil。不过通常我们可以使用NSObject类的superclass方法来达到同样的目的。

class_isMetaClass函数，如果是cls是元类，则返回YES；如果否或者传入的cls为Nil，则返回NO。
对象大小(instance_size)

对象大小操作的函数有：

// 获取实例大小
size_t class_getInstanceSize ( Class cls );
ivars(成员变量数组)

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：

// 获取类中指定名称实例成员变量的信息
Ivar class_getInstanceVariable ( Class cls, const char *name );
// 获取类成员变量的信息
Ivar class_getClassVariable ( Class cls, const char *name );
// 添加成员变量
BOOL class_addIvar ( Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types );
// 获取整个成员变量列表
Ivar * class_copyIvarList ( Class cls, unsigned int *outCount );

  • 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_getClassVariable函数，目前没有找到关于Objective-C中类变量的信息，一般认为Objective-C不支持类变量。注意，返回的列表不包含父类的成员变量和属性。

  • 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。另外，这个类也不能是元类。成员变量的按字节最小对齐量是1<<alignment。这取决于ivar的类型和机器的架构。如果变量的类型是指针类型，则传递log2(sizeof(pointer_type))。

  • 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。

2.属性操作函数，主要包含以下函数：

// 获取指定的属性
objc_property_t class_getProperty ( Class cls, const char *name );
// 获取属性列表
objc_property_t * class_copyPropertyList ( Class cls, unsigned int *outCount );
// 为类添加属性
BOOL class_addProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );
// 替换类的属性
void class_replaceProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );
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。所以，我们的实现函数(IMP参数指向的函数)至少需要两个参数，如下所示：
    void myMethodIMP(id self, SEL _cmd)
    {
    // implementation ....
    }
    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
BOOL class_addProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );
// 返回类是否实现指定的协议
BOOL class_conformsToProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );
// 返回类实现的协议列表
Protocol * class_copyProtocolList ( Class cls, unsigned int *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。

版本(version)

版本相关的操作包含以下函数：

// 获取版本号
int class_getVersion ( Class cls );
// 设置版本号
void class_setVersion ( Class cls, int version );

成员变量与属性

成员变量与属性的关系

///老机制
https://www.cnblogs.com/huangzs/p/7508583.html
@interface ViewController ()
{
   // 1.声明成员变量
    NSString *myString;  
 }
 //2.在用@property声明属性
@property(nonatomic, copy) NSString *myString;  
@end

@implementation ViewController
//3.最后在@implementation中用synthesize生成set方法，事实上绑定了属性和成员变量
@synthesize myString;   
@end

其实，发生这种状况根本原因是苹果将默认编译器从GCC转换为LLVM(low level virtual machine)，才不再需要为属性声明实例变量了。在没有更改之前，属性的正常写法需要成员变量+ @property + @synthesize 成员变量三个步骤。 但更换为LLVM之后，编译器在编译过程中发现没有新的成员变量后，就会生成一个下划线开头的成员变量。因此现在我们不必在声明一个成员变量。（注意：==是不必要，不是不可以==） 当然我们也熟知，@property声明的属性不仅仅默认给我们生成一个_类型的成员变量，同时也会生成setter/getter方法。

@interface MyViewController :UIViewController
{
    NSString *name;
}
@end

在这段代码里面只是声明了一个成员变量，并没有setter/getter方法。所以访问成员变量时，可以直接访问name，也可以像C++一样用self->name来访问，但绝对不能用self.name来访问。

扩展:很多人觉得OC中的点语法比较奇怪，实际是OC设计人员有意为之。

  • 点表达式(.)看起来与C语言中的结构体访问以及java语言汇总的对象访问有点类似，如果点表达式出现在等号 ＝ 左边，调用该属性名称的setter方法。如果点表达式出现在＝右边，调用该属性名称的getter方法。
  • OC中点表达式(.)其实就是调用对象的setter和getter方法的一种快捷方式，self.myString = @"张三";实际就是[self setmyString:@"张三"];
  • 首先我们要明白，@synthesize 生成了setter/getter方法。
    虽然现在直接使用@property时，编译器会自动为你生成以下划线开头的实例变量_myString，不需要自己手动再去写实例变量。而且也不在.m文件中通过@synthesize myString；生成setter/getter方法。但在看老代码的时候，我们依旧可以看到有人使用成员变量+ @synthesize 成员变量的形式。
基础数据类型
Ivar
Ivar是表示实例变量的类型，其实际是一个指向objc_ivar结构体的指针，其定义如下：

typedef struct objc_ivar *Ivar;
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;
#endif
}

objc_property_t

objc_property_t是表示Objective-C声明的属性的类型，其实际是指向objc_property结构体的指针，其定义如下：


typedef struct objc_property *objc_property_t;

objc_property_attribute_t

objc_property_attribute_t定义了属性的特性(attribute)，它是一个结构体，定义如下：


typedef struct {

    const char *name;           // 特性名

    const char *value;          // 特性值

} objc_property_attribute_t;

关联对象(Associated Object)

关联对象是Runtime中一个非常实用的特性，不过可能很容易被忽视。

关联对象类似于成员变量，不过是在运行时添加的。我们通常会把成员变量(Ivar)放在类声明的头文件中，或者放在类实现的@implementation后面。但这有一个缺点，我们不能在分类中添加成员变量。如果我们尝试在分类中添加新的成员变量，编译器会报错。

我们可能希望通过使用(甚至是滥用)全局变量来解决这个问题。但这些都不是Ivar，因为他们不会连接到一个单独的实例。因此，这种方法很少使用。

Objective-C针对这一问题，提供了一个解决方案：即关联对象(Associated Object)。

我们可以把关联对象想象成一个Objective-C对象(如字典)，这个对象通过给定的key连接到类的一个实例上。不过由于使用的是C接口，所以key是一个void指针(const void *)。我们还需要指定一个内存管理策略，以告诉Runtime如何管理这个对象的内存。这个内存管理的策略可以由以下值指定：

OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC
OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN
OBJC_ASSOCIATION_COPY

当宿主对象被释放时，会根据指定的内存管理策略来处理关联对象。如果指定的策略是assign，则宿主释放时，关联对象不会被释放；而如果指定的是retain或者是copy，则宿主释放时，关联对象会被释放。我们甚至可以选择是否是自动retain/copy。当我们需要在多个线程中处理访问关联对象的多线程代码时，这就非常有用了。

我们将一个对象连接到其它对象所需要做的就是下面两行代码：

static char myKey;
objc_setAssociatedObject(self, &myKey, anObject, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN);

在这种情况下，self对象将获取一个新的关联的对象anObject，且内存管理策略是自动retain关联对象，当self对象释放时，会自动release关联对象。另外，如果我们使用同一个key来关联另外一个对象时，也会自动释放之前关联的对象，这种情况下，先前的关联对象会被妥善地处理掉，并且新的对象会使用它的内存。

id anObject = objc_getAssociatedObject(self, &myKey);

我们可以使用objc_removeAssociatedObjects函数来移除一个关联对象，或者使用objc_setAssociatedObject函数将key指定的关联对象设置为nil。

我们下面来用实例演示一下关联对象的使用方法。

假定我们想要动态地将一个Tap手势操作连接到任何UIView中，并且根据需要指定点击后的实际操作。这时候我们就可以将一个手势对象及操作的block对象关联到我们的UIView对象中。这项任务分两部分。首先，如果需要，我们要创建一个手势识别对象并将它及block做为关联对象。如下代码所示：

- (void)setTapActionWithBlock:(void (^)(void))block
{
    UITapGestureRecognizer *gesture = objc_getAssociatedObject(self, &kDTActionHandlerTapGestureKey);
 
    if (!gesture)
    {
        gesture = [[UITapGestureRecognizer alloc] initWithTarget:self action:@selector(__handleActionForTapGesture:)];
        [self addGestureRecognizer:gesture];
        objc_setAssociatedObject(self, &kDTActionHandlerTapGestureKey, gesture, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN);
    }
    objc_setAssociatedObject(self, &kDTActionHandlerTapBlockKey, block, OBJC_ASSOCIATION_COPY);
}

这段代码检测了手势识别的关联对象。如果没有，则创建并建立关联关系。同时，将传入的块对象连接到指定的key上。注意block对象的关联内存管理策略。
手势识别对象需要一个target和action，所以接下来我们定义处理方法：

- (void)__handleActionForTapGesture:(UITapGestureRecognizer *)gesture
{
    if (gesture.state == UIGestureRecognizerStateRecognized)
    {
        void(^action)(void) = objc_getAssociatedObject(self, &kDTActionHandlerTapBlockKey);
        if (action)
        {
            action();
        }
    }
}

我们需要检测手势识别对象的状态，因为我们只需要在点击手势被识别出来时才执行操作。

从上面的例子我们可以看到，关联对象使用起来并不复杂。它让我们可以动态地增强类现有的功能。我们可以在实际编码中灵活地运用这一特性。

成员变量、属性的操作方法

成员变量

成员变量操作包含以下函数：

// 获取成员变量名
const char * ivar_getName ( Ivar v );
// 获取成员变量类型编码
const char * ivar_getTypeEncoding ( Ivar v );
// 获取成员变量的偏移量
ptrdiff_t ivar_getOffset ( Ivar v );
  • ivar_getOffset函数，对于类型id或其它对象类型的实例变量，可以调用object_getIvar和object_setIvar来直接访问成员变量，而不使用偏移量。

关联对象

关联对象操作函数包括以下：

// 设置关联对象
void objc_setAssociatedObject ( id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy );
// 获取关联对象
id objc_getAssociatedObject ( id object, const void *key );
// 移除关联对象
void objc_removeAssociatedObjects ( id object );

属性

属性操作相关函数包括以下：

// 获取属性名
const char * property_getName ( objc_property_t property );
// 获取属性特性描述字符串
const char * property_getAttributes ( objc_property_t property );
// 获取属性中指定的特性
char * property_copyAttributeValue ( objc_property_t property, const char *attributeName );
// 获取属性的特性列表
objc_property_attribute_t * property_copyAttributeList ( objc_property_t property, unsigned int *outCount );
  • property_copyAttributeValue函数，返回的char *在使用完后需要调用free()释放。
  • property_copyAttributeList函数，返回值在使用完后需要调用free()释放。

实例

假定这样一个场景，我们从服务端两个不同的接口获取相同的字典数据，但这两个接口是由两个人写的，相同的信息使用了不同的字段表示。我们在接收到数据时，可将这些数据保存在相同的对象中。对象类如下定义：

@interface MyObject: NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString    *   name;                  

@property (nonatomic, copy) NSString    *   status;                 

@end

接口A、B返回的字典数据如下所示：


@{@"name1": "张三", @"status1": @"start"}

@{@"name2": "张三", @"status2": @"end"}

通常的方法是写两个方法分别做转换，不过如果能灵活地运用Runtime的话，可以只实现一个转换方法，为此，我们需要先定义一个映射字典(全局变量)


static NSMutableDictionary *map = nil;

@implementation MyObject 

+ (void)load

{

    map = [NSMutableDictionary dictionary];

    map[@"name1"]                = @"name";

    map[@"status1"]              = @"status";

    map[@"name2"]                = @"name";

    map[@"status2"]              = @"status";

}

@end

上面的代码将两个字典中不同的字段映射到MyObject中相同的属性上，这样，转换方法可如下处理：


- (void)setDataWithDic:(NSDictionary *)dic

{

    [dic enumerateKeysAndObjectsUsingBlock:^(NSString *key, id obj, BOOL *stop) {

        NSString *propertyKey = [self propertyForKey:key];

        if (propertyKey)

        {

            objc_property_t property = class_getProperty([self class], [propertyKey UTF8String]);

            // TODO: 针对特殊数据类型做处理

            NSString *attributeString = [NSString stringWithCString:property_getAttributes(property) encoding:NSUTF8StringEncoding];

            ...

            [self setValue:obj forKey:propertyKey];

        }

    }];

}

当然，一个属性能否通过上面这种方式来处理的前提是其支持KVC。

方法与消息

前面我们讨论了Runtime中对类和对象的处理，及对成员变量与属性的处理。下面是Runtime中最有意思的一部分：消息处理机制。我们将详细讨论消息的发送及消息的转发。先来了解一下与方法相关的一些内容。

基础数据类型

SEL

SEL又叫选择器，是表示一个方法的selector的指针，其定义如下：

objc_selector结构体的详细定义没有在<objc/runtime.h>头文件中找到。方法的selector用于表示运行时方法的名字。Objective-C在编译时，会依据每一个方法的名字、参数序列，生成一个唯一的整型标识(Int类型的地址)，这个标识就是SEL。如下代码所示：

///baseViewController.h文件
@interface baseViewController : UIViewController
-(void)nameLog;
@end
///baseViewController.m文件
@implementation baseViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];    
    SEL sel1 = @selector(nameLog);
    NSLog(@"sel : %s", sel1);
    NSLog(@"sel : %@", NSStringFromSelector(sel1));
    NSLog(@"sel : %p", sel1);
}
-(void)nameLog{
    NSLog(@"我的名字1--%@--%@",NSStringFromClass([self class]),self.waihaoString);
}
///runtimeViewController.h文件
@interface runtimeViewController : baseViewController
-(void)nameLog;
@end
///runtimeViewController.m文件
@implementation runtimeViewController
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    SEL sel1 = @selector(nameLog);
    NSLog(@"sel : %s", sel1);
    NSLog(@"sel : %@", NSStringFromSelector(sel1));
    NSLog(@"sel : %p", sel1);
}
-(void)nameLog{
    NSLog(@"我的名字2--%@---%@",NSStringFromClass([self class]),self.waihaoString);
}

上面的输出为：

2021-05-19 10:30:34.142221+0800 ocProjectDemo[77633:2655870] sel : name
2021-05-19 10:30:34.142478+0800 ocProjectDemo[77633:2655870] sel : name
2021-05-19 10:30:34.142636+0800 ocProjectDemo[77633:2655870] sel : 0x7fff6143ad2f
2021-05-19 10:30:34.142785+0800 ocProjectDemo[77633:2655870] sel : name
2021-05-19 10:30:34.142934+0800 ocProjectDemo[77633:2655870] sel : name
2021-05-19 10:30:34.143056+0800 ocProjectDemo[77633:2655870] sel : 0x7fff6143ad2f

两个类之间，不管它们是父类与子类的关系，还是之间没有这种关系，只要方法名相同，那么方法的SEL就是一样的。每一个方法都对应着一个SEL。所以在Objective-C同一个类(及类的继承体系)中，不能存在2个同名的方法，即使参数类型不同也不行。相同的方法只能对应一个SEL。这也就导致Objective-C在处理相同方法名且参数个数相同但类型不同的方法方面的能力很差。如在某个类中定义以下两个方法：

- (void)setWidth:(int)width;

- (void)setWidth:(double)width;

这样的定义被认为是一种编译错误，所以我们不能像C++, C#那样。而是需要像下面这样来声明：


-(void)setWidthIntValue:(int)width;

-(void)setWidthDoubleValue:(double)width;

当然，不同的类可以拥有相同的selector，这个没有问题。不同类的实例对象执行相同的selector时，会在各自的方法列表中去根据selector去寻找自己对应的IMP。

工程中的所有的SEL组成一个Set集合，Set的特点就是唯一，因此SEL是唯一的。因此，如果我们想到这个方法集合中查找某个方法时，只需要去找到这个方法对应的SEL就行了，SEL实际上就是根据方法名hash化了的一个字符串，而对于字符串的比较仅仅需要比较他们的地址就可以了，可以说速度上无语伦比！！但是，有一个问题，就是数量增多会增大hash冲突而导致的性能下降（或是没有冲突，因为也可能用的是perfect hash）。但是不管使用什么样的方法加速，如果能够将总量减少（多个方法可能对应同一个SEL），那将是最犀利的方法。那么，我们就不难理解，为什么SEL仅仅是函数名了。

本质上，SEL只是一个指向方法的指针（准确的说，只是一个根据方法名hash化了的KEY值，能唯一代表一个方法），它的存在只是为了加快方法的查询速度。这个查找过程我们将在下面讨论。

我们可以在运行时添加新的selector，也可以在运行时获取已存在的selector，我们可以通过下面三种方法来获取SEL:

  1. sel_registerName函数
  2. Objective-C编译器提供的@selector()
  3. NSSelectorFromString()方法

IMP

IMP实际上是一个函数指针，指向方法实现的首地址。其定义如下：

id (*IMP)(id, SEL, ...)

这个函数使用当前CPU架构实现的标准的C调用约定。第一个参数是指向self的指针(如果是实例方法，则是类实例的内存地址；如果是类方法，则是指向元类的指针)，第二个参数是方法选择器(selector)，接下来是方法的实际参数列表。

前面介绍过的SEL就是为了查找方法的最终实现IMP的。由于每个方法对应唯一的SEL，因此我们可以通过SEL方便快速准确地获得它所对应的IMP，查找过程将在下面讨论。取得IMP后，我们就获得了执行这个方法代码的入口点，此时，我们就可以像调用普通的C语言函数一样来使用这个函数指针了。

通过取得IMP，我们可以跳过Runtime的消息传递机制，直接执行IMP指向的函数实现，这样省去了Runtime消息传递过程中所做的一系列查找操作，会比直接向对象发送消息高效一些。

Method

介绍完SEL和IMP，我们就可以来讲讲Method了。Method用于表示类定义中的方法，则定义如下：

typedef struct objc_method *Method;

struct objc_method {

    SEL method_name                 OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法名

    char *method_types                  OBJC2_UNAVAILABLE;

    IMP method_imp                      OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法实现

}

我们可以看到该结构体中包含一个SEL和IMP，实际上相当于在SEL和IMP之间作了一个映射。有了SEL，我们便可以找到对应的IMP，从而调用方法的实现代码。具体操作流程我们将在下面讨论。

objc-method-description

"objc_method_description")objc_method_description

objc_method_description定义了一个Objective-C方法，其定义如下：


struct objc_method_description { SEL name; char *types; };

方法相关操作函数

Runtime提供了一系列的方法来处理与方法相关的操作。包括方法本身及SEL。本节我们介绍一下这些函数。

方法

方法操作相关函数包括下以：


// 调用指定方法的实现

id method_invoke ( id receiver, Method m, ... );

// 调用返回一个数据结构的方法的实现

void method_invoke_stret ( id receiver, Method m, ... );

// 获取方法名

SEL method_getName ( Method m );

// 返回方法的实现

IMP method_getImplementation ( Method m );

// 获取描述方法参数和返回值类型的字符串

const char * method_getTypeEncoding ( Method m );

// 获取方法的返回值类型的字符串

char * method_copyReturnType ( Method m );

// 获取方法的指定位置参数的类型字符串

char * method_copyArgumentType ( Method m, unsigned int index );

// 通过引用返回方法的返回值类型字符串

void method_getReturnType ( Method m, char *dst, size_t dst_len );

// 返回方法的参数的个数

unsigned int method_getNumberOfArguments ( Method m );

// 通过引用返回方法指定位置参数的类型字符串

void method_getArgumentType ( Method m, unsigned int index, char *dst, size_t dst_len );

// 返回指定方法的方法描述结构体

struct objc_method_description * method_getDescription ( Method m );

// 设置方法的实现

IMP method_setImplementation ( Method m, IMP imp );

// 交换两个方法的实现

void method_exchangeImplementations ( Method m1, Method m2 );
  • method_invoke函数，返回的是实际实现的返回值。参数receiver不能为空。这个方法的效率会比method_getImplementation和method_getName更快。
  • method_getName函数，返回的是一个SEL。如果想获取方法名的C字符串，可以使用sel_getName(method_getName(method))。
  • method_getReturnType函数，类型字符串会被拷贝到dst中。
  • method_setImplementation函数，注意该函数返回值是方法之前的实现。

方法选择器

选择器相关的操作函数包括：


// 返回给定选择器指定的方法的名称

const char * sel_getName ( SEL sel );

// 在Objective-C Runtime系统中注册一个方法，将方法名映射到一个选择器，并返回这个选择器

SEL sel_registerName ( const char *str );

// 在Objective-C Runtime系统中注册一个方法

SEL sel_getUid ( const char *str );

// 比较两个选择器

BOOL sel_isEqual ( SEL lhs, SEL rhs );
  • sel_registerName函数：在我们将一个方法添加到类定义时，我们必须在Objective-C Runtime系统中注册一个方法名以获取方法的选择器。

参考：
http://southpeak.github.io/2014/10/25/objective-c-runtime-1/

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