关于Runtime的一些理论和实践
前言
网上讲解Runtime的教程非常之多，有些讲的还算不错，有些感觉就是人云亦云，所以读者就应该好好甄别下学习的资料。我在本文的最后，会列出一些我认为讲的不错的参考资料，以供参考。接下来就进入正文
正文
理论部分
基础中的基础
假设看官有一定的数据结构知识，知道什么叫结构体，因为接下来我要讲述的这个东西就是从结构体开始的。如果有不懂的同学请走这里传送门
iOS中Class的定义如下
1 | struct objc_class {//class 的结构体 |
isa指针是实例方法在运行时能够被执行的关键，运行时系统将依靠isa指针找到实例所在的类，进而找到方法列表和缓存方法，进行消息的发送。如果消息得不到执行，将根据类里面的super_classs指针找父类的实例方法。但是如果是类方法或者说是+号方法进行消息发送，那么将会获取类里面的isa指针进而找到元类，获取元类里面的方法列表或缓存方法进行消息处理，如果没找到，那么将去寻找元类里面的super_class指针找父元类的类方法。
下面是哥们从网上找的一张isa 和super_class指针的指向图
基础
有了基础中的基础之后，我们才知道Objective-C的本源其实也是来自于C语言，来自于结构体。那么有了这些之后，怎么让OC的类和对象在我们的程序内部运作起来，接下来，有个新的东西要登场了，那就是objc_msgSend，请记住它，正是有了它objective-c才真正称得上是一门面向运行时的语言。
objc_msgSend实质上就是一个C函数。其次objc_msgSend的参数类型第一个必须是id，第二个是SEL，第三个是va_list参数列表。从cocoa的objc.h文件中，我们可以看到它的定义。
1 | id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)//运行时消息发送的函数 |
当你以为这就是运行时发送消息的全部时，很不幸的告诉你，远远没有这么简单，objc_msgSend还有一大帮兄弟姐妹，它们如下
1 | id objc_msgSendSuper(struct objc_super *super, SEL op, ...)//super 指针调用方法的发送的消息 |
其实，这些并不重要，只要掌握objc_msgSend这个就可以了，上面的这些兄弟姐妹只需要了解下就行。
消息发送
当[obj message]调用时，将会被转化为((void (*)(id,@sel(message))objc_msgSend)(id,@sel(message))。此消息将走如下几个流程
- 检查接收的对象是否为nil，如果是，调用nil处理方案
- 在objc_object结构体中含有cache，首先会在Class的cache中查找IMP(如果没有缓存则会初始化缓存)，如果找到就会跳转到对应的函数上执行。
- 如果没有找到就像父类的Class查找，如果还没有没找到就继续向上查找，直到找到根类。
- 如果找到根类还是没有实现方案，这个时候就需要使用_objc_msgForward函数指针替代imp，最后来执行这个imp（动态方法实现）。
消息转发
1 | + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)aSEL //动态解析方法，给处理不了的sel动态加IMP实现 |
理论部分到此告一段落，接下里用实践的方式，来深入的理解下这套东西
实践部分
解归档对象
我们知道oc的对象如果确认了NSCoding协议的话，可以将对象归档为NSData，进而存储在文件中，方便下次使用，通常的做法是将一个对象的属性一个一个的按照类型进行encode，如int型的变量，采用encodeInt:forKey,bool 型的变量，采用encodeBool:forKey。有没有一种方法不管是任何对象都可以进行归档。而不需要我们手动去辨别对象类型，进而调用相应的归档方法呢，runtime的存在对解决这类问题提供了可能。下面以归档一个CYArchieve对象为例，进行阐释。
首先第一步，获取当前对象的成员变量个数。
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2unsigned int count;
Ivar *ivar = class_copyIvarList([self class], &count);此处调用了一个class_copyIvarList()方法，查询runtime，知道这个方法的作用如下
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3// 根据已知的类，获取它的变量列表，outcount是这个变量列表的长度。如果一个类是nil或者没有变量列表，那么将返回NULL，且outCount将为0.注意该对象使用完之后，记得必须要free()!!!
OBJC_EXPORT Ivar *class_copyIvarList(Class cls, unsigned int *outCount)
OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);调用这个方法之后，也就是说，可以获取到当前类的所有变量，和变量个数
第二步，解析Ivar，获取变量名称
这里还有一个Ivar，这是什么东西？查看其定义知道，这是一个不透明的结构体指针，封装了变量类型。ø
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12/// An opaque type that represents an instance variable.
typedef struct objc_ivar *Ivar;
struct objc_ivar {
char *ivar_name //变量名字 OBJC2_UNAVAILABLE;
char *ivar_type //变量类型 OBJC2_UNAVAILABLE;
int ivar_offset //变量在对象中的偏移量 OBJC2_UNAVAILABLE;
int space
OBJC2_UNAVAILABLE;
}它有什么用呢？再来查找资料，苹果runtime现在已经开源，大可去其源码中找答案。
翻翻翻，翻到runtime的定义中，找到了它的用途。Ivar有很多用途，这里我们使用到的有下面俩个
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6// 根据获取到的Ivar结构体，获取它的名字
OBJC_EXPORT const char *ivar_getName(Ivar v)
OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);
// 根据获取到的Ivar结构体，获取它的类型
OBJC_EXPORT const char *ivar_getTypeEncoding(Ivar v)
OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);这俩个方法，可以帮助我们拿到当前变量的名称和变量的类型。名称，我们知道是变量的名称。如_name _title，之类的，可是类型是什么呢？还是得靠查苹果资料，我们找到了官方定义下图是部分定义
第三步，进行归档
现在有了变量名称和变量类型，我们基本就可以对对象的变量进行归档了。
头文件如下定义
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7@interface CYArchieve : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *userName;
@property (nonatomic, assign) const void * token;
@property (nonatomic, assign) int length;
@property (nonatomic, strong) NSNumber *age;
@property (nonatomic, assign) float height;
@end对此对象进行归档
具体代码如下
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54- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder
{
unsigned int count;
Ivar *ivar = class_copyIvarList([self class], &count);
for (unsigned int i = 0; i < count; i++) {
Ivar iva = ivar[i];
// 成员变量名
const void* name = ivar_getName(iva);
NSString *ivarName = [NSString stringWithUTF8String:name];
ivarName = [ivarName substringFromIndex:1];
// 获取get方法
SEL getter = NSSelectorFromString(ivarName);
// 能响应getter方法
if ([self respondsToSelector:getter]) {
const void *typeEncoding = ivar_getTypeEncoding(iva);//获取变量类型
NSString *type = [NSString stringWithUTF8String:typeEncoding];//将c字符串转变为oc字符串
NSLog(@"type = %@",type);
// const void *
if ([type isEqualToString:@"r^v"]) {
const void * valueUTF8 = ((const void *(*)(id ,SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self,getter);
NSString *value = [NSString stringWithUTF8String:valueUTF8];
[aCoder encodeObject:value forKey:ivarName];
continue;
}
else if ([type isEqualToString:@"f"]){
float fvalue = ((float(*)(id,SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, getter);
[aCoder encodeObject:@(fvalue) forKey:ivarName];
continue;
}
else if ([type isEqualToString:@"i"]){
int ivalue = ((int (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self,getter);
[aCoder encodeObject:@(ivalue) forKey:ivarName];
continue;
}
id obj = ((id(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self,getter);//如果是OC类型的对象，这么获取
if (obj && [obj respondsToSelector:@selector(encodeWithCoder:)]) {//判断是否有返回值
[aCoder encodeObject:obj forKey:ivarName];//之后进行编码
}
/*//////////////////////////////////////////////////////////////////////////*/
/* 将(void*)指针强制转为返回值为float类型，参数为id，sel的函数指针。
((float(*)(id,SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, getter);
*/
/*//////////////////////////////////////////////////////////////////////////*/
}
}
free(ivar);
}解档和归档类似，代码如下
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62- (id)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder
{
self = [super init];
if (self) {
unsigned int count;
Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &count);
for (unsigned int i = 0; i < count; i++) {
Ivar ivar = ivars[i];
const void * ivarName = ivar_getName(ivar);
NSString *ivarString = [NSString stringWithUTF8String:ivarName];
ivarString = [ivarString substringFromIndex:1];
NSString *setter = ivarString;
if (![setter hasPrefix:@"_"]) {
char firstLatter = [setter characterAtIndex:0];
NSString *firstLetterString = [NSString stringWithFormat:@"%c",firstLatter];
setter = [setter substringFromIndex:1];
setter = [NSString stringWithFormat:@"%@%@",[firstLetterString uppercaseString] ,setter];
}
setter = [NSString stringWithFormat:@"set%@:",setter];
SEL Sel = NSSelectorFromString(setter);
if ([self respondsToSelector:Sel]) {
const void *typeUTF8 = ivar_getTypeEncoding(ivar);
NSString *type = [NSString stringWithUTF8String:typeUTF8];
if ([type isEqualToString:@"r^v"]) {
NSString *value = [aDecoder decodeObjectForKey:ivarString];
if (value) {
((void (*)(id,SEL,const void *))(void *)objc_msgSend)((id)self,Sel,value.UTF8String);
}
continue;
}
else if ([type isEqualToString:@"i"]){
NSNumber *number = [aDecoder decodeObjectForKey:ivarString];
int num = [number intValue];
((void(*)(id ,SEL,int))(void *)objc_msgSend)((id)self,Sel,num);
continue;
}
else if ([type isEqualToString:@"f"]){
NSNumber *number = [aDecoder decodeObjectForKey:ivarString];
float flo = [number floatValue];
((void(*)(id ,SEL,float))(void *)objc_msgSend)((id)self,Sel,flo);
continue;
}
id obj = [aDecoder decodeObjectForKey:ivarString];
if (obj) {
((void(*)(id, SEL, id))(void *)objc_msgSend)((id)self,Sel,obj);
}
}
}
free(ivars);
}
return self;
}
消息转发
这一小节，我来研究下runtime里面的消息转发机制，都知道，objc_msgsend()发送之后，如果目标不能执行相应的SEL，会进入到前文我们介绍的那四个方法中，具体的实践是怎么样的呢，这里我写个demo来演示下，一方面是自己学习，另一方面也做个笔记，方便以后查阅。
动态添加方法
首先创建了一个CYStudent类，然后在头文件声明了一个study方法
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5@interface CYStudent : NSObject
- (void)study;
@end但是，我们在.m文件中不实现此方法，由此来验证，是否会进入消息转发流程，之后在.m文件中实现resolveInstanceMethod:此方法，如下
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14void play(id obj,SEL sel){
NSLog(@"这个学生不学习，只知道玩耍！");
}
@implementation CYStudent
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
if([NSStringFromSelector(sel) isEqualToString:@"study"]){
return class_addMethod(self, sel, (IMP)play,"v@:");
}
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
@end经如下代码测试，发现确实进入了play函数，执行结果如下
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4CYStudent *laosan = [CYStudent new];
[laosan study];
2017-06-08 22:21:34.997 RuntimeDemo[1381:190411] 这个学生不学习，只知道玩耍！消息转发
这里以CYTeacher为例，依然是让CYTeacher执行study方法，但是不给其动态解析的机会，让其将消息发送给CYStudent，CYStudent将继续动态添加方法的流程，具体实现如下
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27@interface CYTeacher : NSObject
@end
@implementation CYTeacher
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
return NO;
}
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
{
//如果转发的消息是play，老师执行不了，那就让学生对象执行下试试
if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"study"]) {
return [CYStudent new];
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
@end
/*/////////////////////////////以下为测试代码///////////////////////////////*/
CYTeacher *teacher = [CYTeacher new];
[teacher performSelector:@selector(study) withObject:nil afterDelay:0];
/*/////////////////////////////以下为执行结果///////////////////////////////*/
2017-06-08 22:31:23.541 RuntimeDemo[1457:215285] 这个学生不学习，只知道玩耍！方法签名
接下来研究下方法签名和方法调用的问题，以CYDoctor为例，此处还是让CYDoctor对象执行study方法，但是不实现resolveInstanceMethod: 和forwardingTargetForSelector:这俩个方法，而是让其进入方法签名里面，生成一个方法签名，之后再执行forwardInvocation:方法。以下是我做的测试代码
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46@interface CYDoctor : NSObject
@end
@implementation CYDoctor
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
return NO;
}
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
{
return nil;
}
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector
{
if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"study"]) {
return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
}
return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
{
[anInvocation setSelector:@selector(surgery:)];
[anInvocation setTarget:self];
[anInvocation invoke];
}
- (void)surgery:(id)sender
{
NSLog(@"sender : %@",sender);
NSLog(@"手术中，请勿打扰!!!");
}
@end
/*/////////////////////////////以下为测试代码///////////////////////////////*/
CYDoctor *doctor = [CYDoctor new];
[doctor performSelector:@selector(study) withObject:nil afterDelay:0];
/*/////////////////////////////以下为执行结果///////////////////////////////*/
2017-06-08 22:45:39.442 RuntimeDemo[1544:239413] sender : (null)
2017-06-08 22:45:39.442 RuntimeDemo[1544:239413] 手术中，请勿打扰!!!经过这三个小例子，基本对objc_msgSend()的发送流程搞清楚了，接下里准备研究下MethodSwizzling
MethodSwizzling
以NSMutableArray为例，我们来替换系统的objectAtIndex：,insertObject:AtIndex:,removeObjectAtIndex:等方法。
首先我们给NSobject类添加一个category，用来给任何类进行methodSwizzling。并提供一个方法，用来交换原方法和替换方法。
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这之后，我们创建一个NSMutableArray的category，用来执行运行时方法替换。
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接下来是一个例子代码，我们来验证下替换的成果。
1 | id nilobjc = nil; |
打印结果为
1 | 2017-06-11 22:43:18.705 RuntimeDemo[38559:4195212] index is bigger than count |
小结
runtime的学习是持续进行了，我这篇blog也仅仅是抛砖引玉，如何灵活的在项目中使用Runtime才是我们真正应该做的。切记不可为了使用某项技术，硬刚。这是不好滴。😆
参考资料
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