本文系學習Objective-C的runtime原始碼時候整理所成，主要剖析了category在runtime層的實現原理以及和category相關的方方面面，包含了

• 初入寶地-category簡介
• 連類比事-category和extension
• 挑燈細覽-category真面目
• 追本溯源-category如何載入
• 旁枝末葉-category和+load方法
• 觸類旁通-category和方法覆蓋
• 更上一層-category和關聯物件

1、初入寶地-category簡介

category是Objective-C 2.0之後新增的語言特性，ctagegory的主要作用是為已經存在的類新增方法。除此之外，apple還推薦了ctagegory的另外兩個使用場景[1]

• 可以把類的實現分開在幾個不同的檔案裡面。這樣做有幾個顯而易見的好處，a)可以減少單個檔案的體積 b)可以把不同的功能組織到不同的category裡 c)可以由多個開發者共同完成一個類 d)可以按需載入想要的category 等等。
• 宣告私有方法

不過除了apple推薦的使用場景，廣大開發者腦洞大開，還衍生出了category的其他幾個使用場景：

• 模擬多繼承
• 把framework的私有方法公開

Objective-C的這個語言特性對於純動態語言來說可能不算什麼，比如javascript，你可以隨時為一個“類”或者物件新增任意方法和例項變數。但是對於不是那麼“動態”的語言而言，這確實是一個了不起的特性。 2、連類比事-category和extension

extension看起來很像一個匿名的category，但是extension和有名字的category幾乎完全是兩個東西。 extension在編譯期決議，它就是類的一部分，在編譯期和標頭檔案裡的@interface以及實現檔案裡的@implement一起形成一個完整的類，它伴隨類的產生而產生，亦隨之一起消亡。extension一般用來隱藏類的私有資訊，你必須有一個類的原始碼才能為一個類新增extension，所以你無法為系統的類比如NSString新增extension。（詳見[2]） 但是category則完全不一樣，它是在執行期決議的。 就category和extension的區別來看，我們可以推匯出一個明顯的事實，extension可以新增例項變數，而category是無法新增例項變數的（因為在執行期，物件的記憶體佈局已經確定，如果新增例項變數就會破壞類的內部佈局，這對編譯型語言來說是災難性的）。 3、挑燈細覽-category真面目 我們知道，所有的OC類和物件，在runtime層都是用struct表示的，category也不例外，在runtime層，category用結構體category_t（在objc-runtime-new.h中可以找到此定義），它包含了 1)、類的名字（name） 2)、類（cls） 3)、category中所有給類新增的例項方法的列表（instanceMethods） 4)、category中所有新增的類方法的列表（classMethods） 5)、category實現的所有協議的列表（protocols） 6)、category中新增的所有屬性（instanceProperties）

typedef 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;
} category_t;

從category的定義也可以看出category的可為（可以新增例項方法，類方法，甚至可以實現協議，新增屬性）和不可為（無法新增例項變數）。 ok，我們先去寫一個category看一下category到底為何物： MyClass.h：

#‍import <Foundation/Foundation.h>

@interface MyClass : NSObject

- (void)printName;

@end

@interface MyClass(MyAddition)

@property(nonatomic, copy) NSString *name;

- (void)printName;

@end

MyClass.m：

#import "MyClass.h"

@implementation MyClass

- (void)printName
{
 NSLog(@"%@",@"MyClass");
}

@end

@implementation MyClass(MyAddition)

- (void)printName
{
 NSLog(@"%@",@"MyAddition");
}

@end

我們使用clang的命令去看看category到底會變成什麼：

clang -rewrite-objc MyClass.m

好吧，我們得到了一個3M大小，10w多行的.cpp檔案（這絕對是Apple值得吐槽的一點），我們忽略掉所有和我們無關的東西，在檔案的最後，我們找到了如下程式碼片段：

static struct /*_method_list_t*/ {
unsigned int entsize;  // sizeof(struct _objc_method)
unsigned int method_count;
struct _objc_method method_list[1];
} _OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
sizeof(_objc_method),
1,
{{(struct objc_selector *)"printName", "v16@0:8", (void *)_I_MyClass_MyAddition_printName}}
};

static struct /*_prop_list_t*/ {
unsigned int entsize;  // sizeof(struct _prop_t)
unsigned int count_of_properties;
struct _prop_t prop_list[1];
} _OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
sizeof(_prop_t),
1,
{{"name","T@"NSString",C,N"}}
};

extern "C" __declspec(dllexport) struct _class_t OBJC_CLASS_$_MyClass;

static struct _category_t _OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) =
{
"MyClass",
0, // &OBJC_CLASS_$_MyClass,
(const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition,
0,
0,
(const struct _prop_list_t *)&_OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition,
};
static void OBJC_CATEGORY_SETUP_$_MyClass_$_MyAddition(void ) {
_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition.cls = &OBJC_CLASS_$_MyClass;
}
#pragma section(".objc_inithooks$B", long, read, write)
__declspec(allocate(".objc_inithooks$B")) static void *OBJC_CATEGORY_SETUP[] = {
(void *)&OBJC_CATEGORY_SETUP_$_MyClass_$_MyAddition,
};
static struct _class_t *L_OBJC_LABEL_CLASS_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_classlist,regular,no_dead_strip")))= {
&OBJC_CLASS_$_MyClass,
};
static struct _class_t *_OBJC_LABEL_NONLAZY_CLASS_$[] = {
&OBJC_CLASS_$_MyClass,
};
static struct _category_t *L_OBJC_LABEL_CATEGORY_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_catlist,regular,no_dead_strip")))= {
&_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition,
};

我們可以看到， 1)、首先編譯器生成了例項方法列表OBJC$CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass$MyAddition和屬性列表_OBJC$PROP_LIST_MyClass$MyAddition，兩者的命名都遵循了公共字首+類名+category名字的命名方式，而且例項方法列表裡面填充的正是我們在MyAddition這個category裡面寫的方法printName，而屬性列表裡面填充的也正是我們在MyAddition裡新增的name屬性。還有一個需要注意到的事實就是category的名字用來給各種列表以及後面的category結構體本身命名，而且有static來修飾，所以在同一個編譯單元裡我們的category名不能重複，否則會出現編譯錯誤。 2)、其次，編譯器生成了category本身_OBJC$CATEGORY_MyClass$MyAddition，並用前面生成的列表來初始化category本身。 3)、最後，編譯器在DATA段下的objc_catlist section裡儲存了一個大小為1的category_t的陣列L_OBJC_LABEL_CATEGORY$（當然，如果有多個category，會生成對應長度的陣列^_^），用於執行期category的載入。 到這裡，編譯器的工作就接近尾聲了，對於category在執行期怎麼載入，我們下節揭曉。 4、追本溯源-category如何載入

我們知道，Objective-C的執行是依賴OC的runtime的，而OC的runtime和其他系統庫一樣，是OS X和iOS通過dyld動態載入的。 想了解更多dyld地同學可以點選文末“閱讀原文”[3]。 對於OC執行時，入口方法如下（在objc-os.mm檔案中）：

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();
    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_images);
    dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_dependents_initialized, 0/*not batch*/, &load_images);
}

category被附加到類上面是在map_images的時候發生的，在new-ABI的標準下，_objc_init裡面的呼叫的map_images最終會呼叫objc-runtime-new.mm裡面的_read_images方法，而在_read_images方法的結尾，有以下的程式碼片段：

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

            if (!cls) {
 // Category's target class is missing (probably weak-linked).
                // Disavow any knowledge of this category.
                catlist[i] = NULL;
                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 (isRealized(cls)) {
                    remethodizeClass(cls);
                    classExists = YES;
                }
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: found category -%s(%s) %s",
                                 getName(cls), cat->name,
                                 classExists ? "on existing class" : "");
                }
            }

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

首先，我們拿到的catlist就是上節中講到的編譯器為我們準備的category_t陣列，關於是如何載入catlist本身的，我們暫且不表，這和category本身的關係也不大，有興趣的同學可以去研究以下Apple的二進位制格式和load機制。

略去PrintConnecting這個用於log的東西，這段程式碼很容易理解：

1)、把category的例項方法、協議以及屬性新增到類上 2)、把category的類方法和協議新增到類的metaclass上 值得注意的是，在程式碼中有一小段註釋 / || cat->classProperties /，看來蘋果有過給類新增屬性的計劃啊。 ok，我們接著往裡看，category的各種列表是怎麼最終新增到類上的，就拿例項方法列表來說吧： 在上述的程式碼片段裡，addUnattachedCategoryForClass只是把類和category做一個關聯對映，而remethodizeClass才是真正去處理新增事宜的功臣。

static void remethodizeClass(class_t *cls)
{
    category_list *cats;
    BOOL isMeta;

    rwlock_assert_writing(&runtimeLock);

    isMeta = isMetaClass(cls);

 // Re-methodizing: check for more categories
    if ((cats = unattachedCategoriesForClass(cls))) {
        chained_property_list *newproperties;
        const protocol_list_t **newprotos;

        if (PrintConnecting) {
            _objc_inform("CLASS: attaching categories to class '%s' %s",
                         getName(cls), isMeta ? "(meta)" : "");
        }

 // Update methods, properties, protocols

        BOOL vtableAffected = NO;
        attachCategoryMethods(cls, cats, &vtableAffected);

        newproperties = buildPropertyList(NULL, cats, isMeta);
        if (newproperties) {
            newproperties->next = cls->data()->properties;
            cls->data()->properties = newproperties;
        }

        newprotos = buildProtocolList(cats, NULL, cls->data()->protocols);
        if (cls->data()->protocols  &&  cls->data()->protocols != newprotos) {
            _free_internal(cls->data()->protocols);
        }
        cls->data()->protocols = newprotos;

        _free_internal(cats);

 // Update method caches and vtables
        flushCaches(cls);
        if (vtableAffected) flushVtables(cls);
    }
}

而對於新增類的例項方法而言，又會去呼叫attachCategoryMethods這個方法，我們去看下attachCategoryMethods：

static void 
attachCategoryMethods(class_t *cls, category_list *cats,
                      BOOL *inoutVtablesAffected)
{
    if (!cats) return;
    if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats);

    BOOL isMeta = isMetaClass(cls);
    method_list_t **mlists = (method_list_t **)
        _malloc_internal(cats->count * sizeof(*mlists));

 // Count backwards through cats to get newest categories first
    int mcount = 0;
    int i = cats->count;
    BOOL fromBundle = NO;
    while (i--) {
        method_list_t *mlist = cat_method_list(cats->list[i].cat, isMeta);
        if (mlist) {
            mlists[mcount++] = mlist;
            fromBundle |= cats->list[i].fromBundle;
        }
    }

    attachMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle, inoutVtablesAffected);

    _free_internal(mlists);

}

attachCategoryMethods做的工作相對比較簡單，它只是把所有category的例項方法列表拼成了一個大的例項方法列表，然後轉交給了attachMethodLists方法（我發誓，這是本節我們看的最後一段程式碼了^_^），這個方法有點長，我們只看一小段：

for (uint32_t m = 0;
             (scanForCustomRR || scanForCustomAWZ)  &&  m < mlist->count;
             m++)
        {
            SEL sel = method_list_nth(mlist, m)->name;
            if (scanForCustomRR  &&  isRRSelector(sel)) {
                cls->setHasCustomRR();
                scanForCustomRR = false;
            } else if (scanForCustomAWZ  &&  isAWZSelector(sel)) {
                cls->setHasCustomAWZ();
                scanForCustomAWZ = false;
            }
        }

 // Fill method list array
        newLists[newCount++] = mlist;
    .
    .
    .

 // Copy old methods to the method list array
    for (i = 0; i < oldCount; i++) {
        newLists[newCount++] = oldLists[i];
    }

需要注意的有兩點： 1)、category的方法沒有“完全替換掉”原來類已經有的方法，也就是說如果category和原來類都有methodA，那麼category附加完成之後，類的方法列表裡會有兩個methodA 2)、category的方法被放到了新方法列表的前面，而原來類的方法被放到了新方法列表的後面，這也就是我們平常所說的category的方法會“覆蓋”掉原來類的同名方法，這是因為執行時在查詢方法的時候是順著方法列表的順序查詢的，它只要一找到對應名字的方法，就會罷休^_^，殊不知後面可能還有一樣名字的方法。 5、旁枝末葉-category和+load方法

我們知道，在類和category中都可以有+load方法，那麼有兩個問題： 1)、在類的+load方法呼叫的時候，我們可以呼叫category中宣告的方法麼？ 2)、這麼些個+load方法，呼叫順序是咋樣的呢？ 鑑於上述幾節我們看的程式碼太多了，對於這兩個問題我們先來看一點直觀的：

我們的程式碼裡有MyClass和MyClass的兩個category （Category1和Category2），MyClass和兩個category都添加了+load方法，並且Category1和Category2都寫了MyClass的printName方法。 在Xcode中點選Edit Scheme，新增如下兩個環境變數（可以在執行load方法以及載入category的時候列印log資訊，更多的環境變數選項可參見objc-private.h）:

執行專案，我們會看到控制檯列印很多東西出來，我們只找到我們想要的資訊，順序如下：

objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category1
objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category2
.
.
.
objc[1187]: LOAD: class 'MyClass' scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: category 'MyClass(Category1)' scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: category 'MyClass(Category2)' scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: +[MyClass load]
.
.
.
objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category1) load]
.
.
.
objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category2) load]

所以，對於上面兩個問題，答案是很明顯的： 1)、可以呼叫，因為附加category到類的工作會先於+load方法的執行 2)、+load的執行順序是先類，後category，而category的+load執行順序是根據編譯順序決定的。 目前的編譯順序是這樣的：

我們調整一個Category1和Category2的編譯順序，run。ok，我們可以看到控制檯的輸出順序變了：

objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category2
objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category1
.
.
.
objc[1187]: LOAD: class 'MyClass' scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: category 'MyClass(Category2)' scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: category 'MyClass(Category1)' scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: +[MyClass load]
.
.
.
objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category2) load]
.
.
.
objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category1) load]

雖然對於+load的執行順序是這樣，但是對於“覆蓋”掉的方法，則會先找到最後一個編譯的category裡的對應方法。 這一節我們只是用很直觀的方式得到了問題的答案，有興趣的同學可以繼續去研究一下OC的執行時程式碼。 6、觸類旁通-category和方法覆蓋

鑑於上面幾節我們已經把原理都講了，這一節只有一個問題: 怎麼呼叫到原來類中被category覆蓋掉的方法？ 對於這個問題，我們已經知道category其實並不是完全替換掉原來類的同名方法，只是category在方法列表的前面而已，所以我們只要順著方法列表找到最後一個對應名字的方法，就可以呼叫原來類的方法：

Class currentClass = [MyClass class];
MyClass *my = [[MyClass 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);
}

7、更上一層-category和關聯物件

如上所見，我們知道在category裡面是無法為category新增例項變數的。但是我們很多時候需要在category中新增和物件關聯的值，這個時候可以求助關聯物件來實現。

MyClass+Category1.h:


#import"MyClass.h"

@interface MyClass (Category1)

@property(nonatomic,copy) NSString *name;

@end

MyClass+Category1.m:

#import "MyClass+Category1.h"
#import <objc/runtime.h>

@implementation MyClass (Category1)

+ (void)load
{
 NSLog(@"%@",@"load in Category1");
}

- (void)setName:(NSString *)name
{
    objc_setAssociatedObject(self,
 "name",
                             name,
                             OBJC_ASSOCIATION_COPY);
}

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

@end

但是關聯物件又是存在什麼地方呢？ 如何儲存？ 物件銷燬時候如何處理關聯物件呢？ 我們去翻一下runtime的原始碼，在objc-references.mm檔案中有個方法_object_set_associative_reference：

void _object_set_associative_reference(id object, void *key, id value, uintptr_t policy) {
 // retain the new value (if any) outside the lock.
    ObjcAssociation old_association(0, nil);
    id new_value = value ? acquireValue(value, policy) : nil;
    {
        AssociationsManager manager;
        AssociationsHashMap &associations(manager.associations());
        disguised_ptr_t disguised_object = DISGUISE(object);
        if (new_value) {
 // break any existing association.
            AssociationsHashMap::iterator i = associations.find(disguised_object);
            if (i != associations.end()) {
 // secondary table exists
                ObjectAssociationMap *refs = i->second;
                ObjectAssociationMap::iterator j = refs->find(key);
                if (j != refs->end()) {
                    old_association = j->second;
                    j->second = ObjcAssociation(policy, new_value);
                } else {
                    (*refs)[key] = ObjcAssociation(policy, new_value);
                }
            } else {
 // create the new association (first time).
                ObjectAssociationMap *refs = new ObjectAssociationMap;
                associations[disguised_object] = refs;
                (*refs)[key] = ObjcAssociation(policy, new_value);
                _class_setInstancesHaveAssociatedObjects(_object_getClass(object));
            }
        } else {
 // setting the association to nil breaks the association.
            AssociationsHashMap::iterator i = associations.find(disguised_object);
            if (i !=  associations.end()) {
                ObjectAssociationMap *refs = i->second;
                ObjectAssociationMap::iterator j = refs->find(key);
                if (j != refs->end()) {
                    old_association = j->second;
                    refs->erase(j);
                }
            }
        }
    }
 // release the old value (outside of the lock).
    if (old_association.hasValue()) ReleaseValue()(old_association);
}

我們可以看到所有的關聯物件都由AssociationsManager管理，而AssociationsManager定義如下：

class AssociationsManager {
    static OSSpinLock _lock;
    static AssociationsHashMap *_map;               // associative references:  object pointer -> PtrPtrHashMap.
public:
    AssociationsManager()   { OSSpinLockLock(&_lock); }
    ~AssociationsManager()  { OSSpinLockUnlock(&_lock); }

    AssociationsHashMap &associations() {
        if (_map == NULL)
            _map = new AssociationsHashMap();
        return *_map;
    }
};

AssociationsManager裡面是由一個靜態AssociationsHashMap來儲存所有的關聯物件的。這相當於把所有物件的關聯物件都存在一個全域性map裡面。而map的的key是這個物件的指標地址（任意兩個不同物件的指標地址一定是不同的），而這個map的value又是另外一個AssociationsHashMap，裡面儲存了關聯物件的kv對。

而在物件的銷燬邏輯裡面，見objc-runtime-new.mm:

void *objc_destructInstance(id obj) 
{
    if (obj) {
        Class isa_gen = _object_getClass(obj);
        class_t *isa = newcls(isa_gen);

 // Read all of the flags at once for performance.
        bool cxx = hasCxxStructors(isa);
        bool assoc = !UseGC && _class_instancesHaveAssociatedObjects(isa_gen);

 // This order is important.
        if (cxx) object_cxxDestruct(obj);
        if (assoc) _object_remove_assocations(obj);

        if (!UseGC) objc_clear_deallocating(obj);
    }

    return obj;
}

嗯，runtime的銷燬物件函式objc_destructInstance裡面會判斷這個物件有沒有關聯物件，如果有，會呼叫_object_remove_assocations做關聯物件的清理工作。 後記

正如侯捷先生所講-“原始碼面前，了無密碼”，Apple的Cocoa Touch框架雖然並不開源，但是Objective-C的runtime和Core Foundation卻是完全開放原始碼的(在http://www.opensource.apple.com/tarballs/可以下載到全部的開原始碼)。 本系列runtime原始碼學習將會持續更新，意猶未盡的同學可以自行到上述網站下載原始碼學習。行筆簡陋，如有錯誤，望指正。