iOS開發-Runtime詳解
簡介
Runtime 又叫執行時,是一套底層的 C 語言 API,其為 iOS 內部的核心之一,我們平時編寫的 OC 程式碼,底層都是基於它來實現的。比如:
[receiver message];
// 底層執行時會被編譯器轉化為:
objc_msgSend(receiver, selector)
// 如果其還有引數比如:
[receiver message:(id)arg...];
// 底層執行時會被編譯器轉化為:
objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)
以上你可能看不出它的價值,但是我們需要了解的是 Objective-C 是一門動態語言,它會將一些工作放在程式碼執行時才處理而並非編譯時。也就是說,有很多類和成員變數在我們編譯的時是不知道的,而在執行時,我們所編寫的程式碼會轉換成完整的確定的程式碼執行。
因此,編譯器是不夠的,我們還需要一個執行時系統(Runtime system)來處理編譯後的程式碼。
Runtime 基本是用 C 和彙編寫的,由此可見蘋果為了動態系統的高效而做出的努力。蘋果和 GNU 各自維護一個開源的 Runtime 版本,這兩個版本之間都在努力保持一致。
點選這裡下載蘋果維護的開原始碼。
Runtime 的作用
Objc 在三種層面上與 Runtime 系統進行互動:
- 通過 Objective-C 原始碼
- 通過 Foundation 框架的 NSObject 類定義的方法
- 通過對 Runtime 庫函式的直接呼叫
Objective-C 原始碼
多數情況我們只需要編寫 OC 程式碼即可,Runtime 系統自動在幕後搞定一切,還記得簡介中如果我們呼叫方法,編譯器會將 OC 程式碼轉換成執行時程式碼,在執行時確定資料結構和函式。
通過 Foundation 框架的 NSObject 類定義的方法
Cocoa 程式中絕大部分類都是 NSObject 類的子類,所以都繼承了 NSObject 的行為。(NSProxy 類時個例外,它是個抽象超類)
一些情況下,NSObject 類僅僅定義了完成某件事情的模板,並沒有提供所需要的程式碼。例如 -description
方法,該方法返回類內容的字串表示,該方法主要用來除錯程式。NSObject 類並不知道子類的內容,所以它只是返回類的名字和物件的地址,NSObject 的子類可以重新實現。
還有一些 NSObject 的方法可以從 Runtime 系統中獲取資訊,允許物件進行自我檢查。例如:
-class
方法返回物件的類;-isKindOfClass:
和-isMemberOfClass:
方法檢查物件是否存在於指定的類的繼承體系中(是否是其子類或者父類或者當前類的成員變數);-respondsToSelector:
檢查物件能否響應指定的訊息;-conformsToProtocol:
檢查物件是否實現了指定協議類的方法;-methodForSelector:
返回指定方法實現的地址。
通過對 Runtime 庫函式的直接呼叫
Runtime 系統是具有公共介面的動態共享庫。標頭檔案存放於/usr/include/objc目錄下,這意味著我們使用時只需要引入objc/Runtime.h
標頭檔案即可。
許多函式可以讓你使用純 C 程式碼來實現 Objc 中同樣的功能。除非是寫一些 Objc 與其他語言的橋接或是底層的 debug 工作,你在寫 Objc 程式碼時一般不會用到這些 C 語言函式。對於公共介面都有哪些,後面會講到。我將會參考蘋果官方的 API 文件。
一些 Runtime 的術語的資料結構
要想全面瞭解 Runtime 機制,我們必須先了解 Runtime 的一些術語,他們都對應著資料結構。
SEL
它是selector
在 Objc 中的表示(Swift 中是 Selector 類)。selector 是方法選擇器,其實作用就和名字一樣,日常生活中,我們通過人名辨別誰是誰,注意 Objc 在相同的類中不會有命名相同的兩個方法。selector 對方法名進行包裝,以便找到對應的方法實現。它的資料結構是:
typedef struct objc_selector *SEL;
我們可以看出它是個對映到方法的 C 字串,你可以通過 Objc 編譯器器命令@selector()
或者 Runtime 系統的 sel_registerName
函式來獲取一個 SEL
型別的方法選擇器。
注意:
不同類中相同名字的方法所對應的 selector 是相同的,由於變數的型別不同,所以不會導致它們呼叫方法實現混亂。
id
id 是一個引數型別,它是指向某個類的例項的指標。定義如下:
typedef struct objc_object *id;
struct objc_object { Class isa; };
以上定義,看到 objc_object
結構體包含一個 isa 指標,根據 isa 指標就可以找到物件所屬的類。
注意:
isa 指標在程式碼執行時並不總指向例項物件所屬的型別,所以不能依靠它來確定型別,要想確定型別還是需要用物件的-class
方法。
PS:KVO 的實現機理就是將被觀察物件的 isa 指標指向一箇中間類而不是真實型別,詳見:KVO章節。
Class
typedef struct objc_class *Class;
Class
其實是指向 objc_class
結構體的指標。objc_class
的資料結構如下:
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;
從 objc_class
可以看到,一個執行時類中關聯了它的父類指標、類名、成員變數、方法、快取以及附屬的協議。
其中 objc_ivar_list
和 objc_method_list
分別是成員變數列表和方法列表:
// 成員變數列表
struct objc_ivar_list {
int ivar_count OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
/* variable length structure */
struct objc_ivar ivar_list[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
} 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;
}
由此可見,我們可以動態修改 *methodList
的值來新增成員方法,這也是 Category 實現的原理,同樣解釋了 Category 不能新增屬性的原因。這裡可以參考下美團技術團隊的文章:深入理解
Objective-C: Category。
objc_ivar_list
結構體用來儲存成員變數的列表,而 objc_ivar
則是儲存了單個成員變數的資訊;同理,objc_method_list
結構體儲存著方法陣列的列表,而單個方法的資訊則由 objc_method
結構體儲存。
值得注意的時,objc_class
中也有一個 isa 指標,這說明 Objc 類本身也是一個物件。為了處理類和物件的關係,Runtime 庫建立了一種叫做 Meta Class(元類) 的東西,類物件所屬的類就叫做元類。Meta Class 表述了類物件本身所具備的元資料。
我們所熟悉的類方法,就源自於 Meta Class。我們可以理解為類方法就是類物件的例項方法。每個類僅有一個類物件,而每個類物件僅有一個與之相關的元類。
當你發出一個類似 [NSObject alloc](類方法)
的訊息時,實際上,這個訊息被髮送給了一個類物件(Class Object),這個類物件必須是一個元類的例項,而這個元類同時也是一個根元類(Root Meta Class)的例項。所有元類的 isa 指標最終都指向根元類。
所以當 [NSObject alloc]
這條訊息傳送給類物件的時候,執行時程式碼 objc_msgSend()
會去它元類中查詢能夠響應訊息的方法實現,如果找到了,就會對這個類物件執行方法呼叫。
上圖實現是 super_class
指標,虛線時 isa
指標。而根元類的父類是 NSObject
,isa
指向了自己。而 NSObject
沒有父類。
最後 objc_class
中還有一個 objc_cache
,快取,它的作用很重要,後面會提到。
Method
Method 代表類中某個方法的型別
typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE;
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;
}
objc_method
儲存了方法名,方法型別和方法實現:
- 方法名型別為
SEL
- 方法型別
method_types
是個 char 指標,儲存方法的引數型別和返回值型別 method_imp
指向了方法的實現,本質是一個函式指標
Ivar
Ivar
是表示成員變數的型別。
typedef struct objc_ivar *Ivar;
struct objc_ivar {
char *ivar_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *ivar_type OBJC2_UNAVAILABLE;
int ivar_offset OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}
其中 ivar_offset
是基地址偏移位元組
IMP
IMP在objc.h中的定義是:
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);
它就是一個函式指標,這是由編譯器生成的。當你發起一個 ObjC 訊息之後,最終它會執行的那段程式碼,就是由這個函式指標指定的。而 IMP
這個函式指標就指向了這個方法的實現。
如果得到了執行某個例項某個方法的入口,我們就可以繞開訊息傳遞階段,直接執行方法,這在後面 Cache
中會提到。
你會發現 IMP
指向的方法與 objc_msgSend
函式型別相同,引數都包含 id
和 SEL
型別。每個方法名都對應一個 SEL
型別的方法選擇器,而每個例項物件中的 SEL
對應的方法實現肯定是唯一的,通過一組 id
和 SEL
引數就能確定唯一的方法實現地址。
而一個確定的方法也只有唯一的一組 id
和 SEL
引數。
Cache
Cache 定義如下:
typedef struct objc_cache *Cache
struct objc_cache {
unsigned int mask /* total = mask + 1 */ OBJC2_UNAVAILABLE;
unsigned int occupied OBJC2_UNAVAILABLE;
Method buckets[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
};
Cache 為方法呼叫的效能進行優化,每當例項物件接收到一個訊息時,它不會直接在 isa 指標指向的類的方法列表中遍歷查詢能夠響應的方法,因為每次都要查詢效率太低了,而是優先在 Cache 中查詢。
Runtime 系統會把被呼叫的方法存到 Cache 中,如果一個方法被呼叫,那麼它有可能今後還會被呼叫,下次查詢的時候就會效率更高。就像計算機組成原理中 CPU 繞過主存先訪問 Cache 一樣。
Property
typedef struct objc_property *Property;
typedef struct objc_property *objc_property_t;//這個更常用
可以通過class_copyPropertyList
和 protocol_copyPropertyList
方法獲取類和協議中的屬性:
objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount)
objc_property_t *protocol_copyPropertyList(Protocol *proto, unsigned int *outCount)
注意:
返回的是屬性列表,列表中每個元素都是一個objc_property_t
指標
#import <Foundation/Foundation.h>
@interface Person : NSObject
/** 姓名 */
@property (strong, nonatomic) NSString *name;
/** age */
@property (assign, nonatomic) int age;
/** weight */
@property (assign, nonatomic) double weight;
@end
以上是一個 Person 類,有3個屬性。讓我們用上述方法獲取類的執行時屬性。
unsigned int outCount = 0;
objc_property_t *properties = class_copyPropertyList([Person class], &outCount);
NSLog(@"%d", outCount);
for (NSInteger i = 0; i < outCount; i++) {
NSString *name = @(property_getName(properties[i]));
NSString *attributes = @(property_getAttributes(properties[i]));
NSLog(@"%@--------%@", name, attributes);
}
列印結果如下:
2014-11-10 11:27:28.473 test[2321:451525] 3
2014-11-10 11:27:28.473 test[2321:451525] [email protected]"NSString",&,N,V_name
2014-11-10 11:27:28.473 test[2321:451525] age--------Ti,N,V_age
2014-11-10 11:27:28.474 test[2321:451525] weight--------Td,N,V_weight
property_getName
用來查詢屬性的名稱,返回 c 字串。property_getAttributes
函式挖掘屬性的真實名稱和 @encode
型別,返回 c 字串。
objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name)
objc_property_t protocol_getProperty(Protocol *proto, const char *name, BOOL isRequiredProperty, BOOL isInstanceProperty)
class_getProperty
和 protocol_getProperty
通過給出屬性名在類和協議中獲得屬性的引用。
訊息
一些 Runtime 術語講完了,接下來就要說到訊息了。體會蘋果官方文件中的 messages aren’t bound to method implementations until Runtime。訊息直到執行時才會與方法實現進行繫結。
這裡要清楚一點,objc_msgSend
方法看清來好像返回了資料,其實objc_msgSend
從不返回資料,而是你的方法在執行時實現被呼叫後才會返回資料。下面詳細敘述訊息傳送的步驟(如下圖):
- 首先檢測這個
selector
是不是要忽略。比如 Mac OS X 開發,有了垃圾回收就不理會 retain,release 這些函式。 - 檢測這個
selector
的 target 是不是nil
,Objc 允許我們對一個 nil 物件執行任何方法不會 Crash,因為執行時會被忽略掉。 - 如果上面兩步都通過了,那麼就開始查詢這個類的實現
IMP
,先從 cache 裡查詢,如果找到了就執行對應的函式去執行相應的程式碼。 - 如果 cache 找不到就找類的方法列表中是否有對應的方法。
- 如果類的方法列表中找不到就到父類的方法列表中查詢,一直找到 NSObject 類為止。
- 如果還找不到,就要開始進入動態方法解析了,後面會提到。
在訊息的傳遞中,編譯器會根據情況在 objc_msgSend
, objc_msgSend_stret
, objc_msgSendSuper
, objc_msgSendSuper_stret
這四個方法中選擇一個呼叫。如果訊息是傳遞給父類,那麼會呼叫名字帶有
Super 的函式,如果訊息返回值是資料結構而不是簡單值時,會呼叫名字帶有 stret 的函式。
方法中的隱藏引數
疑問:
我們經常用到關鍵字self
,但是self
是如何獲取當前方法的物件呢?
其實,這也是 Runtime 系統的作用,self
實在方法執行時被動態傳入的。
當 objc_msgSend
找到方法對應實現時,它將直接呼叫該方法實現,並將訊息中所有引數都傳遞給方法實現,同時,它還將傳遞兩個隱藏引數:
- 接受訊息的物件(
self
所指向的內容,當前方法的物件指標) - 方法選擇器(
_cmd
指向的內容,當前方法的 SEL 指標)
因為在原始碼方法的定義中,我們並沒有發現這兩個引數的宣告。它們時在程式碼被編譯時被插入方法實現中的。儘管這些引數沒有被明確宣告,在原始碼中我們仍然可以引用它們。
這兩個引數中, self
更實用。它是在方法實現中訪問訊息接收者物件的例項變數的途徑。
這時我們可能會想到另一個關鍵字 super
,實際上 super
關鍵字接收到訊息時,編譯器會建立一個 objc_super
結構體:
struct objc_super { id receiver; Class class; };
這個結構體指明瞭訊息應該被傳遞給特定的父類。 receiver
仍然是 self
本身,當我們想通過 [super class]
獲取父類時,編譯器其實是將指向 self
的 id
指標和 class
的
SEL 傳遞給了 objc_msgSendSuper
函式。只有在 NSObject
類中才能找到 class
方法,然後 class
方法底層被轉換為 object_getClass()
,
接著底層編譯器將程式碼轉換為 objc_msgSend(objc_super->receiver, @selector(class))
,傳入的第一個引數是指向 self
的 id
指標,與呼叫 [self
class]
相同,所以我們得到的永遠都是 self
的型別。因此你會發現:
// 這句話並不能獲取父類的型別,只能獲取當前類的型別名
NSLog(@"%@", NSStringFromClass([super class]));
獲取方法地址
NSObject
類中有一個例項方法:methodForSelector
,你可以用它來獲取某個方法選擇器對應的 IMP
,舉個例子:
void (*setter)(id, SEL, BOOL);
int i;
setter = (void (*)(id, SEL, BOOL))[target
methodForSelector:@selector(setFilled:)];
for ( i = 0 ; i < 1000 ; i++ )
setter(targetList[i], @selector(setFilled:), YES);
當方法被當做函式呼叫時,兩個隱藏引數也必須明確給出,上面的例子呼叫了1000次函式,你也可以嘗試給 target
傳送1000次 setFilled:
訊息會花多久。
雖然可以更高效的呼叫方法,但是這種做法很少用,除非時需要持續大量重複呼叫某個方法的情況,才會選擇使用以免訊息傳送氾濫。
注意:
methodForSelector:
方法是由 Runtime 系統提供的,而不是 Objc 自身的特性
動態方法解析
你可以動態提供一個方法實現。如果我們使用關鍵字 @dynamic
在類的實現檔案中修飾一個屬性,表明我們會為這個屬性動態提供存取方法,編譯器不會再預設為我們生成這個屬性的 setter 和 getter 方法了,需要我們自己提供。
@dynamic propertyName;
這時,我們可以通過分別過載 resolveInstanceMethod:
和 resolveClassMethod:
方法新增例項方法實現和類方法實現。
當 Runtime 系統在 Cache 和類的方法列表(包括父類)中找不到要執行的方法時,Runtime 會呼叫 resolveInstanceMethod:
或 resolveClassMethod:
來給我們一次動態新增方法實現的機會。我們需要用 class_addMethod
函式完成向特定類新增特定方法實現的操作:
void dynamicMethodIMP(id self, SEL _cmd) {
// implementation ....
}
@implementation MyClass
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)aSEL
{
if (aSEL == @selector(resolveThisMethodDynamically)) {
class_addMethod([self class], aSEL, (IMP) dynamicMethodIMP, "[email protected]:");
return YES;
}
return [super resolveInstanceMethod:aSEL];
}
@end
上面的例子為 resolveThisMethodDynamically
方法添加了實現內容,就是 dynamicMethodIMP
方法中的程式碼。其中 "[email protected]:"
表示返回值和引數,這個符號表示的含義見:Type
Encoding
注意:
動態方法解析會在訊息轉發機制侵入前執行,動態方法解析器將會首先給予提供該方法選擇器對應的IMP
的機會。如果你想讓該方法選擇器被傳送到轉發機制,就讓resolveInstanceMethod:
方法返回NO
。
訊息轉發
重定向
訊息轉發機制執行前,Runtime 系統允許我們替換訊息的接收者為其他物件。通過 - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
方法。
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
{
if(aSelector == @selector(mysteriousMethod:)){
return alternateObject;
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
如果此方法返回 nil
或者 self
,則會計入訊息轉發機制(forwardInvocation:
),否則將向返回的物件重新發送訊息。
轉發
當動態方法解析不做處理返回 NO
時,則會觸發訊息轉發機制。這時 forwardInvocation:
方法會被執行,我們可以重寫這個方法來自定義我們的轉發邏輯:
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
{
if ([someOtherObject respondsToSelector:
[anInvocation selector]])
[anInvocation invokeWithTarget:someOtherObject];
else
[super forwardInvocation:anInvocation];
}
唯一引數是個 NSInvocation
型別的物件,該物件封裝了原始的訊息和訊息的引數。我們可以實現 forwardInvocation:
方法來對不能處理的訊息做一些處理。也可以將訊息轉發給其他物件處理,而不丟擲錯誤。
注意:引數
anInvocation 是從哪來的?
在forwardInvocation:
訊息傳送前,Runtime 系統會向物件傳送methodSignatureForSelector:
訊息,並取到返回的方法簽名用於生成 NSInvocation 物件。所以重寫forwardInvocation:
的同時也要重寫methodSignatureForSelector:
方法,否則會拋異常。
當一個物件由於沒有相應的方法實現而無法相應某訊息時,執行時系統將通過 forwardInvocation:
訊息通知該物件。每個物件都繼承了 forwardInvocation:
方法。但是, NSObject
中的方法實現只是簡單的呼叫了 doesNotRecognizeSelector:
。通過實現自己的 forwardInvocation:
方法,我們可以將訊息轉發給其他物件。
forwardInvocation:
方法就是一個不能識別訊息的分發中心,將這些不能識別的訊息轉發給不同的接收物件,或者轉發給同一個物件,再或者將訊息翻譯成另外的訊息,亦或者簡單的“吃掉”某些訊息,因此沒有響應也不會報錯。這一切都取決於方法的具體實現。
注意:
forwardInvocation:
方法只有在訊息接收物件中無法正常響應訊息時才會被呼叫。所以,如果我們嚮往一個物件將一個訊息轉發給其他物件時,要確保這個物件不能有該訊息的所對應的方法。否則,forwardInvocation:
將不可能被呼叫。
轉發和多繼承
轉發和繼承相似,可用於為 Objc 程式設計新增一些多繼承的效果。就像下圖那樣,一個物件把訊息轉發出去,就好像它把另一個物件中的方法接過來或者“繼承”過來一樣。
這使得在不同繼承體系分支下的兩個類可以實現“繼承”對方的方法,在上圖中 Warrior
和 Diplomat
沒有繼承關係,但是 Warrior
將 negotiate
訊息轉發給了 Diplomat
後,就好似 Diplomat
是 Warrior
的超類一樣。
訊息轉發彌補了 Objc 不支援多繼承的性質,也避免了因為多繼承導致單個類變得臃腫複雜。
轉發與繼承
雖然轉發可以實現繼承的功能,但是 NSObject
還是必須表面上很嚴謹,像 respondsToSelector:
和 isKindOfClass:
這類方法只會考慮繼承體系,不會考慮轉發鏈。
如果上圖中的 Warrior
物件被問到是否能響應 negotiate
訊息:
if ( [aWarrior respondsToSelector:@selector(negotiate)] )
...
回答當然是 NO
, 儘管它能接受 negotiate
訊息而不報錯,因為它靠轉發訊息給 Diplomat
類響應訊息。
如果你就是想要讓別人以為 Warrior
繼承到了 Diplomat
的 negotiate
方法,你得重新實現 respondsToSelector:
和 isKindOfClass:
來加入你的轉發演算法:
- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector
{
if ( [super respondsToSelector:aSelector] )
return YES;
else {
/* Here, test whether the aSelector message can *
* be forwarded to another object and whether that *
* object can respond to it. Return YES if it can. */
}
return NO;
}
除了 respondsToSelector:
和 isKindOfClass:
之外,instancesRespondToSelector:
中也應該寫一份轉發演算法。如果使用了協議,conformsToProtocol:
同樣也要加入到這一行列中。
如果一個物件想要轉發它接受的任何遠端訊息,它得給出一個方法標籤來返回準確的方法描述 methodSignatureForSelector:
,這個方法會最終響應被轉發的訊息。從而生成一個確定的 NSInvocation
物件描述訊息和訊息引數。這個方法最終響應被轉發的訊息。它需要像下面這樣實現:
- (NSMethodSignature*)methodSignatureForSelector:(SEL)selector
{
NSMethodSignature* signature = [super methodSignatureForSelector:selector];
if (!signature) {
signature = [surrogate methodSignatureForSelector:selector];
}
return signature;
}
健壯的例項變數(Non Fragile ivars)
在 Runtime 的現行版本中,最大的特點就是健壯的例項變量了。當一個類被編譯時,例項變數的記憶體佈局就形成了,它表明訪問類的例項變數的位置。例項變數一次根據自己所佔空間而產生位移:
上圖左是 NSObject
類的例項變數佈局。右邊是我們寫的類的佈局。這樣子有一個很大的缺陷,就是缺乏拓展性。哪天蘋果更新了 NSObject
類的話,就會出現問題:
我們自定義的類的區域和父類的區域重疊了。只有蘋果將父類改為以前的佈局才能拯救我們,但這樣導致它們不能再拓展它們的框架了,因為成員變數佈局被固定住了。在脆弱的例項變數(Fragile ivar)環境下,需要我們重新編譯繼承自 Apple 的類來恢復相容。如果是健壯的例項變數的話,如下圖:
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