iOS底层原理 - Category实现原理(一)

通过探索Category底层原理回答以下问题

1) Category是否可以添加方法、属性、成员变量?Category是否可以遵守Protocol?

2) Category的本质是什么,在底层是怎么存储的?

3) Category的实现原理是什么,Catagory中的方法是如何调用到的?

4) Category中是否有Load方法,load方法是什么时候调用的?

5) load、initialize的区别

Category可以直接添加 属性、成员变量吗?

创建一个ZHPerson类



添加分类


发现分类中可以添加属性,方法,协议,但是不能添加成员变量。

分析为什么不能添加成员变量?

Category的底层数据结构

    首先创建两个分类 协助测试






将分类文件编译为.cpp文件,切换到文件所在文件夹下执行:

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc ZHPerson+Sport.m

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc ZHPerson+Eat.m


检索_I_ZHPerson_Sport_sport 和 _C_ZHPerson_Sport_sport


分析可知:上述代码创建了_method_list_t类型的结构体变量

_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_ZHPerson_$_Sport 

 _OBJC_$_CATEGORY_CLASS_METHODS_ZHPerson_$_Sport

分别用于存储实例方法列表和类方法列表



这里简单说下_objc_method中的method_type,详细介绍后续在探究runtime消息机制时再继续扒。method_type其实可以看做用字符缩写来表达的函数类型字符串,比如 v@:i 就是返回类型为void,第一个参数为id类型,第二个参数为指针类型,第三个参数为int类型的函数,如- (void)addStepCount:(int)count(我们知道iOS中方法调用会默认传入隐式参数 方法调用者:self 和 方法名:_cmd。这也是为什么我们可以在方法内部访问self、cmd的原因)

继续检索_OBJC_$_CATEGORY_ZHPerson_$_Sport


回答第二个问题:分类底层如何存储的

分析可知:上述代码创建了一个_category_t类型的结构体变量 _OBJC_$_CATEGORY_ZHPerson_$_Sport;并且传入了类方法列表、实例方法列表、协议类别、属性列表,具备了Category的所有信息,没错Category在底层就是_category_t类型,下边我们检索结构体类型_category_t,看下_category_t的定义;


到此我们已经清楚的看到了Category在底层的存储结构,并且可以看到底层并没有存储成员变量,这也就是为什么直接添加成员变量会报错的原因。

Category中的属性

并且我们知道在类中添加一个属性,系统为我们做了三件事

@property (nonatomic, copy) NSString *name;

    1) 创建了一个成员变量_name  

    2) 生成了setter、getter方法的声明

    3) 生成了setter、getter方法的实现

对比 ZHPerson 编译后的.cpp中的属性和分类中的区别

ZHPerson.cpp:


ZHPerson (Sport).cpp 文件


发现原类中生成了属性的settter 和getter 方法,但是分类中没有属性的settter 和getter 实现。

在Category添加属性系统仅仅只生成了setter、getter方法的声明

如何使Category中的属性与类中的属性具备同样的效果(关联对象)

    

可以通过runtime中的关联对象方法来实现


关联策略,和@property后的关键字对应.


系统是如何管理关联对象的

    去官网下载runtime源码,搜索objc_setAssociatedObject方法,这里不做过多分析,简单说下结论,后续会单开一篇扒关联对象的实现原理。

runtime用四个类来管理关联对象,AssociationsManager、AssociationsHashMap、AssociationsMap、ObjectAssociation

1)关联对象并不是存储在被关联对象本身内存中

2) 关联对象存储在全局的统一的一个AssociationsManager中

3)设置关联对象为nil,就相当于是移除关联对象

Category中的方法调用顺序 - 表象

再创建一个ZHPerson的子类ZHStudent ,再编写一个ZHStudent的分类,分类里书写life方法




结论:1、分类中方法会覆盖原类中的方法

2.、Compile Sources中编译顺序在后面的文件优先级会更高。

ZHPerson有两个分类Sport 和Eat,并且两个分类都实现了life方法,

但是全部调用的分类Sport的方法,和Build Phases 里的Compile Sources 里的文件编译顺序有关


1、分类中的方法优先级高于原类中的方法

2、后编译的分类优先级高于先编译的分类

3、我们常说的分类方法覆盖原类方法并不是真正的覆盖,只是objc_msgSend在分类中找到方法实现后不再继续查找。

Category方法调用顺序 - 本质

    1)OC中的方法调用简单的说就是通过实例对象(或类对象)的isa指针和类对象(或元类对象)的superClass指针去类(或元类)对象中查找方法。

    2)Category中的方法、属性等编译后是存储在category_t结构体中的,也就是说编译后分类中的方法并没有合并到类(或元类)中,我们是无法在类对象(或元类对象)中找到Category中的方法的。

    3)但是最终调用的时候我们却可以通过isa和superClass指针找到这些方法。所以我们有理由猜测runtime帮我们做了方法合并

    4)_objc_init就是runtime的初始化函数,是在app启动过程的"初始化除可执行文件外的所有Mach-O文件初始化调用的;按文件编译倒序将各分类中的方法、协议、属性列表分别整合成一个二维数组后,添加到原类中的方法列表,属性列表,协议列表。(分类中的方法属性等系统是什么时候如何添加到原类中的?)



Category中的+load方法

在创建的两个类文件以及3个分类文件添加+load方法,也添加上initialize()方法,方便后面测试。



不导入上面相关任何文件,不创建对象,直接运行

可以发现未做任何调用和对象创建的情况下,也会执行+ (void)load方法

尝试在xcode->targets->build phases->compile sources中调整文件编译顺序,发现

1、父类中的load优先于子类中调用,且不受编译顺序影响。

2、原类中的load方法优先于分类调用,且不受编译顺序影响。

3、两个分类中的load方法执行顺序根据编译顺序,且与其继承的父类无关系。


Category中的+ (void)initialize方法

再创建一个新类ZHDog,作对比


像测试load方法一样,不导入创建的任何文件不创建对象,直接运行但是并没有调用initialize方法。

创建对象

情况1

情况2

情况3


以上3种情况的打印结果都是下面结果:


3种情况编译顺序都是



说明同一个类中的initialize方法在多次创建对象时仅调用一次


现在只调整文件编译顺序:



打印结果没变

initialize调用总结:

1)父类调用优先级高于子类,不受编译顺序影响;

2) 分类会覆盖原类中的方法

注意,如果子类及子类分类没有实现initialize方法,根据runtime消息发送机制,父类中的initialize会调用两次

现在注释掉ZHStudent及其分类的initialize方法,其他全不变





load是只要类所在的文件被引用就会被调用,而initialize在类或其子类的第一个方法调用之前被调用(runtime 中load方法不能认为第一个方法)。load在main函数之前调用,initialize在main函数之后调用。这两个方法会被自动调用。

· load和initialize方法都不用显示的调用父类的方法而是自动调用,即使子类没有initialize方法也会调用父类的方法如果子类显示调用[super initialize],则父类多次调用,load方法则不会调用父类。

·load方法通常用来进行Method Swizzle,initialize方法一般用于初始化全局变量或静态变量。

·load和initialize方法内部使用了锁,因此它们是线程安全的。实现时要尽可能保持简单,避免阻塞线程,不要再使用锁。

·每个类只调用initialize一次。如果希望为类和类的类别执行独立初始化,则应该实现load方法

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