iOS Objective-C的骨架 -- Runtime

我们常说Objective-C 是一门动态语言, 或者运行时语言. 动态和静态是相对的. 相对于静态语言来说, Objective-C不是在编译的时候就确定了所有东西. 可以在运行期间动态的添加类、变量、方法等. 这意味着它不仅需要一个编译器，也需要一个运行时系统来动态得创建类和对象、进行消息传递和转发. Objective-C是基于C语言的超集,要想实现运行时这一特性, 需要有一个桥梁, 而runtime就是这个桥梁.

Objective-C 作为一门高级编程语言想, 要成为可执行文件需要先编译为汇编语言再汇编为机器语言，机器语言也是计算机能够识别的唯一语言，但是Objective-C并不能直接编译为汇编语言，而是要先转写为纯C语言再进行编译和汇编的操作，从Objective-C到C语言的过渡就是由runtime来实现的。然而我们使用Objective-C进行面向对象开发，而C语言更多的是面向过程开发，这就需要将面向对象的类转变为面向过程的结构体.

Runtime其实有两个版本: “modern” 和 “legacy”. 我们现在用的 Objective-C 2.0采用的是现行 (Modern) 版的Runtime 系统, 只能运行在 iOS 和 macOS 10.5 之后的 64 位程序中. 而 macOS 较老的32位程序仍采用 Objective-C 1 中的（早期）Legacy 版本的Runtime 系统. 这两个版本最大的区别在于当你更改一个类的实例变量的布局时, 在早期版本中你需要重新编译它的子类，而现行版就不需要. 苹果和GNU各自维护一个开源的 runtime 版本, 这两个版本之间都在努力的保持一致.

我将和大家一起从下边几个方面一起来深入认知Runtime的实现:

  • 一: Runtime的消息传递过程
  • 二: Runtime的消息转发过程
  • 三: Category的底层实现
  • 四: Runtime在日常工作中的应用

一: Runtime的消息传递过程:

Objective-C是一门面向对象的语言, 要想理解Runtime在其中的作用, 首先我们先要了解我们口中的对象(object), 类(calss), 方法(method), 在Runtime中是都是什么构造. 通过阅读objc/runtime.h中源码, 我们可以找到:

//!< 对象
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
//!< 类
struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
//!< 方法列表
struct objc_method_list {
    struct objc_method_list *obsolete                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    int method_count                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_method method_list[1]                        OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;
//!< 方法
struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}

下面讲解在消息传递过程中用到的概念:

  • 类(类对象 objc_class);
  • 对象(实例 objc_object);
  • 元类(Meta Class);
  • Method(objc_method);
  • methodList(方法列表 objc_method_list);
  • objc_cache (类缓存);
  • SEL(objc_selector);
  • IMP;
  • Category;
类(类对象 objc_class):

在Objective-C中, 类是由Class来表示的, 由源码可知, 其实际上是一个指向objc_class 结构体的指针

typedef struct objc_class *Class;

而 objc_class 结构体的定义如下:

//!< 类
struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

通过结构体中的变量的命名, 我们不难明白每个变量的含义及作用.
它保存了指向父类的指针、类的名字、版本、实例大小、实例变量列表、方法列表、缓存、遵守的协议列表等信息. 这个结构体中保存的数据称为元数据(metaData) . 而结构体的第一个变量为isa指针, 这说明类本身也是一个对象. 我们称之为类对象. 类对象在编译期产生, 用于创造实例对象, 是单利.

对象(实例 objc_object):
/// 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;

类对象中, 保存了创建一个实例所需的数据, 那么创建类对象所需要的数据保存在何处? 这就引出了一个新的概念元类(metaclass). 实际上, 实例对象的isa指针指向它的类, 而类对象的isa指针, 指向保存了创建类对象所需数据的类:元类, 而元类的isa指针指向根元类.
如下图所示:

元类(Meta Class):

在上一节中, 我们提出了metaclass元类概念. 很显然, 元类也是实例, 那么它是谁的实例呢? 通过上图我们不难看出, 元类是根元类的实例. 元类的isa指针指向根元类, 根元类是其自身的实例, 它的isa指针指向自身, 这样就形成了一个巧妙的闭环. 元类的super_class指针指向它的父类的元类, 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(根元类)的isa指针是指向它自己.

Method(objc_method):
/// An opaque type that represents a method in a class definition.代表类定义中一个方法的不透明类型
typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}

从objc_method结构体中, 可以看出一个Method的构成: SEL method_name方法名、char *method_types方法类型、 IMP method_imp方法实现.

methodList(方法列表 objc_method_list);

从命名可以很明显的得知, methodList是用来存储一个类的所有method.

//方法列表
struct objc_method_list {
    struct objc_method_list *obsolete                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    int method_count                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_method method_list[1]                        OBJC2_UNAVAILABLE;
}

由源码可知, methodList中存储的是一个个struct objc_method. 那么我们每次需要进行objc_msgSend时都要在methodList进行遍历查找吗? 这样的效率未免也太低下了. 要知道, 一个类中很可能只有20%的常用方法. 这就用到了struct objc_cache来减少常用方法的查找时间.

objc_cache (类缓存):

当Objective-C运行时通过跟踪它的isa指针检查对象时，它可以找到一个实现许多方法的对象。然而，你可能只调用它们的一小部分，并且每次查找时，搜索所有选择器的类分派表没有意义。所以类实现一个缓存，每当你搜索一个类分派表，并找到相应的选择器(SEL)，它把它放入它的缓存。所以当objc_msgSend查找一个类的selector，它首先搜索类缓存。这是基于这样的理论：如果你在类上调用一个消息，你可能以后再次调用该消息。
为了加速消息分发， 系统会对方法和对应的地址进行缓存，就放在上述的objc_cache，所以在实际运行中，大部分常用的方法都是会被缓存起来的，Runtime系统实际上非常快，接近直接执行内存地址的程序速度。

SEL:
typedef struct objc_selector *SEL;

objc_msgSend函数第二个参数类型为SEL，它是selector在Objective-C中的表示类型. selector是方法选择器，可以理解为区分方法的 Identifer，而这个 Identifer 的数据结构是SEL:

A method selector is a C string that has been registered (or “mapped“) with the Objective-C runtime. Selectors generated by the compiler are automatically mapped by the runtime when the class is loaded. 方法选择器是已使用Objective-C运行时注册（或“映射”）的C字符串。 加载类时，编译器生成的选择器将由运行时自动映射。

其实selector就是个映射到方法的C字符串，你可以用 Objective-C编译器命令@selector()或者 sel_registerName函数来获得一个 SEL 类型的方法选择器。
selector既然是用来区分方法的Identifer, 那么猜想应该有以下规则:

  • 同一个类中, selector不能重复.
  • 不同类中, selector可以重复.
    实际上, 我们在日常工作中会发现, 同一个类中如果有相同的selector, 那么在编译时就会报错. 然而在Category中是可以有selector和类中重复, 是Category中的selector将类中的selector重写了吗? 我们会在后边详细讲解Category的具体实现.
IMP:

看下IMP的定义 :

/// A pointer to the function of a method implementation.  指向一个方法实现的指针
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...); 
#endif

就是指向最终实现方法的内存地址的指针.

Category(objc_category):

Category是表示一个指向分类的结构体的指针，其定义如下：

struct category_t { 
    const char *name; 
    classref_t cls; 
    struct method_list_t *instanceMethods; 
    struct method_list_t *classMethods;
    struct protocol_list_t *protocols;
    struct property_list_t *instanceProperties;
};

name ：是指 class_name 而不是 category_name.
cls：要扩展的类对象，编译期间是不会定义的，而是在Runtime阶段通过name对应到对应的类对象.
instanceMethods：category中所有给类添加的实例方法的列表.
classMethods ：category中所有添加的类方法的列表.
protocols：category实现的所有协议的列表.
instanceProperties：表示Category里所有的properties，这就是我们可以通过objc_setAssociatedObject和objc_getAssociatedObject增加实例变量的原因，不过这个和一般的实例变量是不一样的.

从上面的category_t的结构体中可以看出，分类中可以添加实例方法，类方法，甚至可以实现协议，添加属性，不可以添加成员变量(ivar). 具体原因以及底层实现我们在后边详细探讨.

经过上述概念解释, 我们可以总结出Runtime消息传递流程:

实例方法:

一个实例方法像这样[obj foo]，编译器转成消息发送objc_msgSend(obj, foo)，Runtime时执行的流程是这样的:

  • 通过obj 的isa 指针找到它的 class ;
  • 在class结构体的objc_cache中找foo;
  • 如果缓存中没找到, 继续在class结构体的 method list中找 foo;
  • 如果 class 中没找到 foo，通过它的 superclass指针去class的父类 中找, 一直查找到基类NSObject;
  • 一旦找到 foo这个函数, 通过objc_method结构体中的IMP指针找到最终实现方法的内存地址, 去实现.
类方法:

一个实例方法像这样[class foo]，编译器转成消息发送objc_msgSend(class, foo)，Runtime时执行的流程是这样的:

  • 通过class的isa指针, 找到class的 metaclass元类,
  • 在metaclass中的objc_cache中查找类方法foo;
  • 若缓存中没找到, 继续在methodlist中查找foo.
  • 若metaclass中没有找到foo, 通过metaclass的superclass指针去class的父类的metaclass中查找, 一直到NSObject类的metaclass;
  • 一旦找到 foo这个函数, 通过objc_method结构体中的IMP指针找到最终实现方法的内存地址, 去实现.

这个时候又有新的问题产生: 在消息传递的过程中, 如果一直到最后都没有找到foo呢? 接下来我们来看看当没有找到foo时会发生什么.

二: Runtime的消息转发过程:

上文在消息传递的过程中, 我们产生了新的问题: 如果一直到最后都没有找到foo? 实际上, 如果还是找不到并且消息转发都失败了就回执行doesNotRecognizeSelector:方法, 抛出unrecognized selector异常. 那么消息转发到底是什么呢？接下来将会逐一介绍消息转发的三个步骤, 这也是在抛出unrecognized selector异常前, 我们可以拯救程序的唯三步骤.

  • 动态方法解析: +resolveInstanceMethod: / +resolveClassMethod:
  • 备用接收者: -forwardingTargetForSelector:
  • 完整消息转发: -methodSignatureForSelector: ; -forwardInvocation:
动态方法解析: +resolveInstanceMethod: / +resolveClassMethod::

消息转发的第一步, Runtime会调用 +resolveInstanceMethod:(实例方法)或者 +resolveClassMethod:(类方法), 让你有机会提供一个函数实现(IMP)。如果你添加了IMP并返回YES， 那Runtime就会重新启动一次消息发送的过程.
实现一个动态方法解析的例子如下：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    //!<  执行foo函数, 这时消息发送过程肯定找不到IMP, 就会进入消息转发
    [self performSelector:@selector(foo:)];
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(foo:)) {
          //!< 如果是执行foo函数，就动态解析，指定一个新的IMP
          //!< "v@:" 方法类型
        class_addMethod([self class], sel, (IMP)fooMethod, "v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

//!< 将要执行这个新的IMP
void fooMethod(id obj, SEL _cmd) {
    NSLog(@"new foo has executed");
}

如果+resolveInstanceMethod:或者+resolveClassMethod: return NO, 那么将会进行消息转发的第二个步骤: 备用接收者: -forwardingTargetForSelector:.

备用接收者: -forwardingTargetForSelector::

如果目标对象实现了-forwardingTargetForSelector:方法, 那么Runtime允许我们指定一个对象, 将这个方法转发给指定的对象.

实现一个备用接收者的例子如下：

#import "ViewController.h"
#import "objc/runtime.h"

@interface Person: NSObject

@end

@implementation Person

- (void)foo {
    NSLog(@" foo has executed"); //!< Person的foo函数
}

@end

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    //!<  执行foo函数, 这时消息发送过程肯定找不到IMP, 就会进入消息转发
    [self performSelector:@selector(foo)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    return NO; //!< 返回NO，进入下一步转发
}

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(foo)) {
        return [Person new];//!< 返回Person对象，让Person对象接收这个消息
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
@end

可以看到我们通过-forwardingTargetForSelector:把当前ViewController的方法转发给了Person去执行.
如果这个对象实现了foo那么就会重新走一遍消息发送的过程. 如果return nil 或者这个对象没有实现foo, 进行第三个步骤--完整消息转发.

完整消息转发: -methodSignatureForSelector: ; -forwardInvocation: :

如果在上一步还不能处理未知消息, 则唯一能做的就是启用完整的消息转发机制了.
首先, 会发送-methodSignatureForSelector:函数, 来获取函数的参数和返回值类型, 如果-methodSignatureForSelector: return nil, Runtime会发送doesNotRecognizeSelector:, 抛出unrecognized selector, 这个时候程序就会崩溃. 如果-methodSignatureForSelector:返回一个函数签名(NSMethodSignature), Runtime就会创建一个NSInvocation 对象并发送 -forwardInvocation:消息给目标对象.

实现一个完整消息转发的例子如下:

import "ViewController.h"
#import "objc/runtime.h"

@interface Person: NSObject

@end

@implementation Person

- (void)foo {
    NSLog(@"foo has executed"); //!< Person的foo函数
}

@end

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
     //!<  执行foo函数, 这时消息发送过程肯定找不到IMP, 就会进入消息转发
    [self performSelector:@selector(foo)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    return NO; //!< 返回NO，进入下一步转发
}

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    return nil; //!< 返回nil，进入下一步转发
}

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"foo"]) {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"]; //!< 签名，进入forwardInvocation
    }
    
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    SEL sel = anInvocation.selector;

    Person *p = [Person new];
    if([p respondsToSelector:sel]) {
        [anInvocation invokeWithTarget:p];
    }
    else {
        [self doesNotRecognizeSelector:sel];
    }
}
@end

以上就是Runtime完整的三次转发流程.

三: Category的底层实现

在这里, 我们一起思考以下问题:

  • Category 的实现原理是什么?
  • Category 可以添加属性吗?可以添加实例变量吗?
  • Category 中添加的方法, 在消息发送的过程中是如何找到的?
  • Category中添加了一个与本类中方法相同名字的方法, 为什么本类中的方法不会再调用? 是重写还是被覆盖?

接下来我们通过一段代码来进行分析:

#import <Foundation/Foundation.h>
@interface Preson : NSObject
{
    int _age;
}
- (void)run;
@end

//!<  Presen.m
#import "Preson.h"
@implementation Preson
- (void)run
{
    NSLog(@"Person - run");
}
@end

//!< Presen分类1
//!<  Presen+Test.h
#import "Preson.h"
@interface Preson (Test) <NSCopying>
- (void)test;
+ (void)abc;
@property (assign, nonatomic) int age;
- (void)setAge:(int)age;
- (int)age;
@end

//!<  Presen+Test.m
#import "Preson+Test.h"
@implementation Preson (Test)
- (void)test
{
}

+ (void)abc
{
}
- (void)setAge:(int)age
{
}
- (int)age
{
    return 10;
}
@end

Presen分类2
//!<  Preson+Test2.h
#import "Preson.h"
@interface Preson (Test2)
@end

//!<  Preson+Test2.m
#import "Preson+Test2.h"
@implementation Preson (Test2)
- (void)run
{
    NSLog(@"Person (Test2) - run");
}
@end

通过查看分类的源码我们可以找到category_t 结构体:

struct category_t {
    const char *name;
    classref_t cls;
    struct method_list_t *instanceMethods; //!<  对象方法
    struct method_list_t *classMethods; //!<  类方法
    struct protocol_list_t *protocols; //!< 协议
    struct property_list_t *instanceProperties; //!<  属性
    // Fields below this point are not always present on disk.
    struct property_list_t *_classProperties;

    method_list_t *methodsForMeta(bool isMeta) {
        if (isMeta) return classMethods;
        else return instanceMethods;
    }

    property_list_t *propertiesForMeta(bool isMeta, struct header_info *hi);
};

从源码基本可以看出我们平时使用Categroy的方式，对象方法，类方法，协议，和属性都可以找到对应的存储方式. 并且我们发现分类结构体中是不存在实例变量的, 因此分类中是不允许添加实例变量的. 在分类中添加property, instanceProperties中会添加一个property, 不过分类中添加的property并不会自动生成实例变量, 也不会生成get set方法的声明, 需要我们自己去实现.

通过源码我们发现，分类的方法，协议，属性等好像确实是存放在Categroy结构体里面的，那么他又是如何存储在类对象中的呢？
我们回到Runtime的源码, 来分析分类的方法是如何添加到类的method list中的:

所用到的runtime源码为objc4-680.tar.gz , runtime 的初始化函数在 objc-os.mm中.

void _objc_init(void)
{
    static bool initialized = false;
    if (initialized) return;
    initialized = true;
    
    // fixme defer initialization until an objc-using image is found?
    environ_init();
    tls_init();
    static_init();
    lock_init();
    exception_init();
        
    // Register for unmap first, in case some +load unmaps something
    _dyld_register_func_for_remove_image(&unmap_image);
    dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_bound,
                                             1/*batch*/, &map_2_images);
    dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_dependents_initialized, 0/*not batch*/, &load_images);
}

接着我们来到 &map_images读取模块（images这里代表资源模块），来到map_images_nolock函数中找到_read_images函数，在_read_images函数中我们找到category相关代码

在objc-runtime-new.mm中能找到相关源码

// Discover categories. 
    for (EACH_HEADER)  {
        category_t **catlist = 
            _getObjc2CategoryList(hi, &count);
        for (i = 0; i < count; i++) {
            category_t *cat = catlist[i];
            Class cls = remapClass(cat->cls);

            if (!cls) {
                // Category's target class is missing (probably weak-linked).
                // Disavow any knowledge of this category.
                catlist[i] = nil;
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: IGNORING category \?\?\?(%s) %p with "
                                 "missing weak-linked target class", 
                                 cat->name, cat);
                }
                continue;
            }

            // Process this category. 
            // First, register the category with its target class. 
            // Then, rebuild the class's method lists (etc) if 
            // the class is realized. 
            bool classExists = NO;
            if (cat->instanceMethods ||  cat->protocols  
                ||  cat->instanceProperties) 
            {
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);
                if (cls->isRealized()) {
                    remethodizeClass(cls);
                    classExists = YES;
                }
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: found category -%s(%s) %s", 
                                 cls->nameForLogging(), cat->name, 
                                 classExists ? "on existing class" : "");
                }
            }

            if (cat->classMethods  ||  cat->protocols  
                /* ||  cat->classProperties */) 
            {
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi);
                if (cls->ISA()->isRealized()) {
                    remethodizeClass(cls->ISA());
                }
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: found category +%s(%s)", 
                                 cls->nameForLogging(), cat->name);
                }
            }
        }
    }

从上述代码中我们可以知道这段代码是用来查找有没有分类的. 通过_getObjc2CategoryList函数获取到分类列表之后, 进行遍历，获取其中的方法，协议，属性等. 可以看到最终都调用了remethodizeClass(cls);函数. 我们来到remethodizeClass(cls)函数内部查看.

在objc-runtime-new.mm中找到源码:

static void remethodizeClass(Class cls)
{
    category_list *cats;
    bool isMeta;

    runtimeLock.assertWriting();

    isMeta = cls->isMetaClass();

    // Re-methodizing: check for more categories
    if ((cats = unattachedCategoriesForClass(cls, false/*not realizing*/))) {
        if (PrintConnecting) {
            _objc_inform("CLASS: attaching categories to class '%s' %s", 
                         cls->nameForLogging(), isMeta ? "(meta)" : "");
        }
        
        attachCategories(cls, cats, true /*flush caches*/);        
        free(cats);
    }
}

通过上述代码我们发现attachCategories函数最终接收了类对象cls和分类数组cats, 如我们一开始写的代码所示, 一个类可以有多个分类. 之前我们说到分类信息存储在category_t结构体中, 那么多个分类则保存在category_list中.

我们来看attachCategories函数:

在objc-runtime-new.mm中能找到相关源码

// Attach method lists and properties and protocols from categories to a class.
//将类别中的方法列表，属性和协议附加到类。
// Assumes the categories in cats are all loaded and sorted by load order,
//假设cat中的类别都按加载顺序加载和排序，
// oldest categories first.
// 最老的类别最先进行 
static void  attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches)
{
    if (!cats) return;
    if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats);

    bool isMeta = cls->isMetaClass();

    // fixme rearrange to remove these intermediate allocations
    method_list_t **mlists = (method_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*mlists));
    property_list_t **proplists = (property_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*proplists));
    protocol_list_t **protolists = (protocol_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*protolists));

    // Count backwards through cats to get newest categories first
    int mcount = 0;
    int propcount = 0;
    int protocount = 0;
    int i = cats->count;
    bool fromBundle = NO;
    while (i--) {
        auto& entry = cats->list[I];

        method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
        if (mlist) {
            mlists[mcount++] = mlist;
            fromBundle |= entry.hi->isBundle();
        }

        property_list_t *proplist = entry.cat->propertiesForMeta(isMeta);
        if (proplist) {
            proplists[propcount++] = proplist;
        }

        protocol_list_t *protolist = entry.cat->protocols;
        if (protolist) {
            protolists[protocount++] = protolist;
        }
    }

    auto rw = cls->data();

    prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle);
    rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
    free(mlists);
    if (flush_caches  &&  mcount > 0) flushCaches(cls);

    rw->properties.attachLists(proplists, propcount);
    free(proplists);

    rw->protocols.attachLists(protolists, protocount);
    free(protolists);
}

从注释中我们可以看出这个函数的作用是用来将类别中的方法列表，属性和协议附加到类. 以及它的顺序是最老的类别最先进行.
我们继续看具体如何附加到类,
来到attachLists()函数:

在objc-runtime-new.h中能找到相关源码

void attachLists(List* const * addedLists, uint32_t addedCount) {
        if (addedCount == 0) return;

        if (hasArray()) {
            // many lists -> many lists
            uint32_t oldCount = array()->count;
            uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
            setArray((array_t *)realloc(array(), array_t::byteSize(newCount)));
            array()->count = newCount;
            memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists, 
                    oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
            memcpy(array()->lists, addedLists, 
                   addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
        }
        else if (!list  &&  addedCount == 1) {
            // 0 lists -> 1 list
            list = addedLists[0];
        } 
        else {
            // 1 list -> many lists
            List* oldList = list;
            uint32_t oldCount = oldList ? 1 : 0;
            uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
            setArray((array_t *)malloc(array_t::byteSize(newCount)));
            array()->count = newCount;
            if (oldList) array()->lists[addedCount] = oldList;
            memcpy(array()->lists, addedLists, 
                   addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
        }
    }

源码中有两个重要的数组:
array()->lists： 类对象原来的方法列表，属性列表，协议列表.
addedLists： 传入的所有分类的方法列表，属性列表，协议列表.
attachLists函数中最重要的两个方法为memmove内存移动和memcpy内存拷贝. 我们先来分别看一下这两个函数:

// memmove ：内存移动。
/*  __dst : 移动内存的目的地
*   __src : 被移动的内存首地址
*   __len : 被移动的内存长度
*   将__src的内存移动__len块内存到__dst中
*/
void    *memmove(void *__dst, const void *__src, size_t __len);

// memcpy ：内存拷贝。
/*  __dst : 拷贝内存的拷贝目的地
*   __src : 被拷贝的内存首地址
*   __n : 被移动的内存长度
*   将__src的内存移动__n块内存到__dst中
*/
void    *memcpy(void *__dst, const void *__src, size_t __n);

下面我们图示经过memmove和memcpy方法过后的内存变化:

未经过内存移动和拷贝时, 指针位置

经过memmove方法之后，内存变化为:

// array()->lists 原来方法、属性、协议列表数组
// addedCount 分类数组长度
// oldCount * sizeof(array()->lists[0]) 原来数组占据的空间
memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists, 
                  oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
memmove后指针位置

经过memmove方法之后，我们发现，虽然本类的方法，属性，协议列表会分别后移，但是本类的对应数组的指针依然指向原始位置. 这时候会进行memcopy:
memcpy方法之后，内存变化:

// array()->lists 原来方法、属性、协议列表数组
// addedLists 分类方法、属性、协议列表数组
// addedCount * sizeof(array()->lists[0]) 原来数组占据的空间
memcpy(array()->lists, addedLists, 
               addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
memcopy后指针位置

至此, 分类中的方法，属性，协议等被完全附加到本类上.
我们发现原来指针位置并没有改变, 至始至终指向开头的位置. 并且经过memmove和memcpy方法之后，分类的方法，属性，协议列表被放在了类对象中原本存储的方法，属性，协议列表前面. 这样做的目的, 是为了保证分类方法优先调用.

category总结:

Category 可以添加属性. 但是runtime不会生产对应的ivar和setter getter方法. 不可以添加实例变量?
Category 中添加的方法, 在runtime初始化的时候, 会被附加到本类methodlist中, 并且在本类方法前边, 所以消息发送过程和对象的消息发送过程相同.
Category中添加了一个与本类中方法相同名字的方法, 为什么本类中的方法不会再调用? 是重写还是被覆盖? 既不是重写, 也不是覆盖, 而是在附加到本类methodlist中的过程中被放在本类方法前边. 在消息发送的过程中, 会优先找到分类的方法,并且执行其IMP, 所以本类方法不会再执行.

四: Runtime在日常工作中的应用:

洋洋洒洒写了这么多, 接下来才是大家最关心的环节. Runtime在日常工作中到底有什么应用呢?

  • 关联对象(Objective-C Associated Objects)给分类增加属性

用来给Category添加属性.

  • 方法魔法(Method Swizzling)方法添加和替换和KVO实现

class_addMethod() method_exchangeImplementations

  • 消息转发(热更新)解决Bug(JSPatch)
  • 实现NSCoding的自动归档和自动解档
  • 实现字典和模型的自动转换(MJExtension)
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