初识 Objective-C Runtime

在iOS开发的过程中经常会提及一个东西叫做RunTime,并且在面试中RunTime也是经常被考到的问题。那么本文就来探讨下RunTime到底是什么,他如何来使用。

环境信息

Mac OS X 10.10.2
xcode 6
iOS 8.1

一、RunTime是什么

首先Objective-C是C语言的扩展,并加入了面向对象特性和Smalltalk式的消息传递机制。而这个扩展的核心就是一个用C和汇编语言写的RunTime库,这个库所做的事情就是加载类信息,进行方法的分发和转发,正是这个库赋予了Objective-C的动态特性。

运行时很小却很强大,并且Objc Runtime是开源的,苹果也允许你使用RunTime里面的东西(不会导致上不了架)。

虽然这些特性在开发中使用的较少,但是理解Objective-C的Runtime机制可以帮我们更好的了解这个语言,合理的运用还能在系统层面上解决一些技术问题。

 

二、消息机制

比如我们初始化一个NSObject对象:

NSObject *object = [[NSObject alloc] init];

事实上,调用方法其实也是在给这个对象发送一个消息,在编译时这句话会翻译成一个C的函数调用,即:

objc_msgSend(objc_msgSend([NSObject?class],@selector(alloc)),@selector(init));

那么,这不是把OC代码转换成C代码了么,他的动态特性体现在哪里?对于C语言,函数的调用在编译的时候就会去决定调用哪个函数。而OC是一种动态语言,它会尽可能的把代码执行的决策从编译和链接的时候,推迟到运行时。

给一个对象发送的一个消息并不会立即执行,而是在运行的时候再去寻找他对应的实现。那么你就可以把消息转发给你想要的对象,或者随意交换一个方法的实现之类的。

那么这个消息机制到底是怎么运作的呢,我们就需要来了解下Objective-C的对象模型。

 

三、Objective-C对象模型

我们打开<objc/objc.h>文件可以看到如下对NSObject的定义:

@interface NSObject <NSObject> {
 Class isa? OBJC_ISA_AVAILABILITY;}

Objective-C是一门面向对象的语言,每一个对象都是一个类的实例,在Objective-C的内部,每个对象都有一个isa的指针,指向该对象的类。每个类描述了一系列它的实例的特点,包括成员变量的列表,成员函数的列表等,每个对象都可以接收消息,而对象可以接收的消息列表保存在它对应的类中。

 

我们再来看看class的定义

typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class { 
 Class isa? OBJC_ISA_AVAILABILITY;? 
#if !__OBJC2__
 Class super_class? ? ?OBJC2_UNAVAILABLE; // 父类
 const char *name ? ? OBJC2_UNAVAILABLE; // 类名
 long version ? ? ? ? ?OBJC2_UNAVAILABLE; // 类的版本信息,默认为0
 long info? ? ? ? ? ? ?OBJC2_UNAVAILABLE; // 类信息,供运行时期使用的一些位标识
 long instance_size ? ? ? ? ? ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE; // 该类的实例变量大小
 struct objc_ivar_list *ivars ? ? ? OBJC2_UNAVAILABLE; // 该类的成员变量链表
 struct objc_method_list **methodLists? ? ?OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法定义链表
 struct objc_cache *cache ? ? ?OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法缓存
 struct objc_protocol_list *protocols ? ?OBJC2_UNAVAILABLE; // 协议链表
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

发现他里面也有一个isa指针,因为在Objective-C语言中,每个类实际上也是一个对象,每个类也可以接收消息,例如[NSObject alloc]。那么既然一个类也是对象,所以它也必须是另一个类的实例,这个类就是元类(metaclass)。元类保存了类方法的列表,当一个类被调用时,元类会首先查找本身是否有该类方法的实现,如果没有,则该元类会向它的父类查找该方法。

元类也是一个对象,为了设计上的完整,所以元类的isa指针都会指向一个根元类(root metaclass)。根元类本身的isa指针指向自己,这样就形成了一个闭环。

 

所以使用objc_msgSend函数,会执行以下步骤

  1. 通过对象(类)的isa指针去找到他的class
  2. 在class的method list 找到该消息的实现
  3. 如果class中没有改消息的实现,就继续到它的super_class中去找
  4. 一旦找到这个这个消息的实现,那么就去执行他的IMP

这样的话每发送一个消息就要方法列表objc_method_list进行一次遍历,为了提高效率,使用了objc_cache对经常调用的函数进行缓存,再次调用时就先到objc_cache中去查找函数实现。

 

四、RunTime的具体应用

1.动态创建一个类

#import <objc/runtime.h>
// 自定义一个方法
void reportFunction (id self, SEL _cmd) {
 NSLog(@"This object is %p", self);
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
 @autoreleasepool {?? ? ? ?
 // 1.动态创建对象 创建一个Person 继承自 NSObject Class newClass = objc_allocateClassPair([NSObject class], “Person”, 0);?
 // 为该类增加名为Report的方法
 class_addMethod(newClass, @selector(report), (IMP)reportFunction, @"v@:");?? ? ? ?
 // 注册该类
 objc_registerClassPair(newClass);
 // 创建一个 Student 类的实例
 instantOfNewClass = [[newClass alloc] init];
 // 调用方法
 [instantOfNewClass report]; 
 }
 return 0;
}

这里用到的Selector事实上是一个C的结构体,表示一个消息,类似于C的方法调用:

typedef struct objc_selector? *SEL;

IMP (Method Implementations),就是一个函数指针,当你发起一个ObjC消息之后,最终它会执行的那个代码,就是由这个函数指针指定的。

typedef id (*IMP)(id self,SEL _cmd,...); 

 

2.关联对象

对象在内存中的排布可以看成是一个结构体,该结构体的大小并不能动态的变化,所以无法在运行时动态的给对象增加成员变量,但是我们可以通过关联对象的方法变相的给对象增加一个成员变量。

比如,我们想给NSObject新增一个关联对象:
创建一个NSObject的类目AssociatedObject,在.h文件里面声明一个属性

@interface NSObject (AssociatedObject)
@property (nonatomic, strong) id associatedObject;?
@end

在NSObject+AssociatedObject.m文件里面进行关联

#import "NSObject+AssociatedObject.h"
#import <objc/runtime.h>
@implementation NSObject (AssociatedObject)
@dynamic associatedObject;
- (void)setAssociatedObject:(id)object {
 // 设置关联对象
 objc_setAssociatedObject(self, @selector(associatedObject), object, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}
- (id)associatedObject {
 // 得到关联对象
 return objc_getAssociatedObject(self, @selector(associatedObject));
}
@end

这样就给NSObject新增了一个属性,可是,这有什么用呢?通常,我们会利用关联对象给UIAlertView新增一个block回调,方便使用。

 

3.利用RunTime进行模型归档

对于一个有很多属性的Person类,遵守了NSCoding协议之后,我们可以利用RunTime遍历模型对象的所有属性进行归档,关键代码如下:

// 利用runtime机制进行属性的归档接档
- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder {
 unsigned int count = 0;
 Ivar *ivars = class_copyIvarList([Person class], &count);
 for (int i = 0; i<count; i++) {
 // 取出i位置对应的成员变量
 Ivar ivar = ivars[i];
 // 查看成员变量
 const char *name = ivar_getName(ivar);
 // 归档
 NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name]; id value = [self valueForKey:key];
 [aCoder encodeObject:value forKey:key];
 }
 free(ivars);
}

 

- (id)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder {
 self = [super init];
 if (self) {
 unsigned int count = 0;
 Ivar *ivars = class_copyIvarList([Person class], &count);
 for (int i = 0; i<count; i++) {
 // 取出i位置对应的成员变量
 Ivar ivar = ivars[i];
 // 查看成员变量
 const char *name = ivar_getName(ivar);
 // 归档
 NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name];
 id value = [aDecoder decodeObjectForKey:key];
 // 设置到成员变量身上
 [self setValue:value forKey:key];
 }
 free(ivars);
 }
 return self;
}

 

五、小结

利用RunTime我们还可以完成字典和对象模型之间的转换,例如MJExtension,还可以自己实现KVO,封装框架(修改系统实现),实现客户端根据后台动态更改逻辑等等,光说无用,还是需要自己多练才行。

 

六、参考资料

http://tech.glowing.com/cn/objective-c-runtime/

http://www.justinyan.me/post/1624

http://limboy.me/ios/2013/08/03/dynamic-tips-and-tricks-with-objective-c.html

http://nshipster.cn/associated-objects/

http://blog.devtang.com/blog/2013/10/15/objective-c-object-model/

http://honglu.me/2014/12/29/%E6%B5%85%E8%B0%88OC%E8%BF%90%E8%A1%8C%E6%97%B6-RunTime/

 

七、demo下载

本文相关的demo可以在此处下载

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