Objective-C特性：Runtime
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Objective-C是基於C語言加入了面向物件特性和訊息轉發機制的動態語言，這意味著它不僅需要一個編譯器，還需要Runtime系統來動態建立類和物件，進行訊息傳送和轉發。下面通過分析Apple開源的Runtime程式碼(我使用的版本是objc4-646.tar)來深入理解Objective-C的Runtime機制。
Runtime資料結構
在Objective-C中，使用[receiver message]語法並不會馬上執行receiver物件的message方法的程式碼，而是向receiver傳送一條message
receiver來處理，也可能由轉發給其他物件來處理，也有可能假裝沒有接收到這條訊息而沒有處理。其實[receiver
message]被編譯器轉化為:
id objc_msgSend ( id self, SEL op, ... );
下面從兩個資料結構id和SEL來逐步分析和理解Runtime有哪些重要的資料結構。
SEL
SEL是函式objc_msgSend第二個引數的資料型別，表示方法選擇器，按下面路徑開啟objc.h檔案
SEL Data Structure
檢視到SEL資料結構如下:
typedef struct objc_selector *SEL;
其實它就是對映到方法的C字串，你可以通過Objc編譯器命令@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。
如果你知道selector對應的方法名是什麼，可以通過NSString* NSStringFromSelector(SEL
aSelector)方法將SEL轉化為字串，再用NSLog列印。
id
接下來看objc_msgSend第一個引數的資料型別id，id是通用型別指標，能夠表示任何物件。按下面路徑開啟objc.h檔案
id Data Structure.png
檢視到id資料結構如下：
/// Represents an instance of a class.
id其實就是一個指向objc_object結構體指標，它包含一個Class
isa成員，根據isa指標就可以順藤摸瓜找到物件所屬的類。
注意：根據Apple的官方文件Key-Value Observing Implementation Details提及，key-value observing是使用
isa-swizzling的技術實現的，isa指標在執行時被修改，指向一箇中間類而不是真正的類。所以，你不應該使用isa指標來確定類的關係，而是使用class方法來確定例項物件的類。
Class
isa指標的資料型別是Class，Class表示物件所屬的類，按下面路徑開啟objc.h檔案
Class Data Structure
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;
可以檢視到Class其實就是一個objc_class結構體指標，但這個標頭檔案找不到它的定義，需要在runtime.h才能找到objc_class結構體的定義。
按下面路徑開啟runtime.h檔案
objc_class Data Structure
檢視到objc_class結構體定義如下：
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;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */注意：
OBJC2_UNAVAILABLE是一個Apple對Objc系統執行版本進行約束的巨集定義，主要為了相容非Objective-C 2.0的遺留版本，但我們仍能從中獲取一些有用資訊。
讓我們分析一些重要的成員變量表示什麼意思和對應使用哪些資料結構。
-
isa表示一個Class物件的Class，也就是Meta Class。在面向物件設計中，一切都是物件，Class在設計中本身也是一個物件。我們會在objc-runtime-new.h檔案找到證據，發現objc_class有以下定義：struct objc_class : objc_object { // Class ISA; Class superclass; cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags ...... }由此可見，結構體
objc_class也是繼承objc_object，說明Class在設計中本身也是一個物件。其實
Meta Class也是一個Class，那麼它也跟其他Class一樣有自己的isa和super_class指標，關係如下：
Class isa and superclass relationship from Google上圖實線是
super_class指標，虛線是isa指標。有幾個關鍵點需要解釋以下:- Root class (class)其實就是
NSObject，NSObject是沒有超類的，所以Root class(class)的superclass指向nil。 - 每個Class都有一個
isa指標指向唯一的Meta class - Root class(meta)的superclass指向
Root class(class)，也就是NSObject，形成一個迴路。 - 每個Meta class的
isa指標都指向Root class (meta)。
- Root class (class)其實就是
super_class表示例項物件對應的父類name表示類名-
ivars表示多個成員變數，它指向objc_ivar_list結構體。在runtime.h可以看到它的定義：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; }objc_ivar_list其實就是一個連結串列，儲存多個objc_ivar，而objc_ivar結構體儲存類的單個成員變數資訊。 -
methodLists表示方法列表，它指向objc_method_list結構體的二級指標，可以動態修改*methodLists的值來新增成員方法，也是Category實現原理，同樣也解釋Category不能新增例項變數的原因。在runtime.h可以看到它的定義：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; }同理，
objc_method_list也是一個連結串列，儲存多個objc_method，而objc_method結構體儲存類的某個方法的資訊。 -
cache用來快取經常訪問的方法，它指向objc_cache結構體，後面會重點講到。 protocols表示類遵循哪些協議
Method
Method表示類中的某個方法，在runtime.h檔案中找到它的定義：
/// An opaque type that represents a method in a class definition.
typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE;
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;
}
其實Method就是一個指向objc_method結構體指標，它儲存了方法名(method_name)、方法型別(method_types)和方法實現(method_imp)等資訊。而method_imp的資料型別是IMP，它是一個函式指標，後面會重點提及。
Ivar
Ivar表示類中的例項變數，在runtime.h檔案中找到它的定義：
/// An opaque type that represents an instance variable.
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
}
Ivar其實就是一個指向objc_ivar結構體指標，它包含了變數名(ivar_name)、變數型別(ivar_type)等資訊。
IMP
在上面講Method時就說過，IMP本質上就是一個函式指標，指向方法的實現，在objc.h找到它的定義：
/// A pointer to the function of a method implementation.
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ );
#else
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);
#endif當你向某個物件傳送一條資訊，可以由這個函式指標來指定方法的實現，它最終就會執行那段程式碼，這樣可以繞開訊息傳遞階段而去執行另一個方法實現。
Cache
顧名思義，Cache主要用來快取，那它快取什麼呢？我們先在runtime.h檔案看看它的定義：
typedef struct objc_cache *Cache OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_cache {
unsigned int mask /* total = mask + 1 */ OBJC2_UNAVAILABLE;
unsigned int occupied OBJC2_UNAVAILABLE;
Method buckets[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
};
Cache其實就是一個儲存Method的連結串列，主要是為了優化方法呼叫的效能。當物件receiver呼叫方法message時，首先根據物件receiver的isa指標查詢到它對應的類，然後在類的methodLists中搜索方法，如果沒有找到，就使用super_class指標到父類中的methodLists查詢，一旦找到就呼叫方法。如果沒有找到，有可能訊息轉發，也可能忽略它。但這樣查詢方式效率太低，因為往往一個類大概只有20%的方法經常被呼叫，佔總呼叫次數的80%。所以使用Cache來快取經常呼叫的方法，當呼叫方法時，優先在Cache查詢，如果沒有找到，再到methodLists查詢。
訊息傳送
前面從objc_msgSend作為入口，逐步深入分析Runtime的資料結構，瞭解每個資料結構的作用和它們之間關係後，我們正式轉入訊息傳送這個正題。
objc_msgSend函式
在前面已經提過，當某個物件使用語法[receiver message]來呼叫某個方法時，其實[receiver
message]被編譯器轉化為:
id objc_msgSend ( id self, SEL op, ... );
現在讓我們看一下objc_msgSend它具體是如何傳送訊息:
- 首先根據
receiver物件的isa指標獲取它對應的class - 優先在
class的cache查詢message方法，如果找不到，再到methodLists查詢 - 如果沒有在
class找到，再到super_class查詢 - 一旦找到
message這個方法，就執行它實現的IMP。
Objc Message.gif
self與super
為了讓大家更好地理解self和super，借用sunnyxx部落格的ios程式設計師6級考試一道題目：下面的程式碼分別輸出什麼？
@implementation Son : Father
- (id)init
{
self = [super init];
if (self)
{
NSLog(@"%@", NSStringFromClass([self class]));
NSLog(@"%@", NSStringFromClass([super class]));
}
return self;
}
@end
self表示當前這個類的物件，而super是一個編譯器標示符，和self指向同一個訊息接受者。在本例中，無論是[self
class]還是[super class]，接受訊息者都是Son物件，但super與self不同的是，self呼叫class方法時，是在子類Son中查詢方法，而super呼叫class方法時，是在父類Father中查詢方法。
當呼叫[self class]方法時，會轉化為objc_msgSend函式，這個函式定義如下：
id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)
這時會從當前Son類的方法列表中查詢，如果沒有，就到Father類查詢，還是沒有，最後在NSObject類查詢到。我們可以從NSObject.mm檔案中看到-
(Class)class的實現：
- (Class)
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#import
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