Objective-C 的 RunTime（一）：基础知识

RunTime 简介

• 什么是 RunTime？

  我们都知道，将源代码转换为可执行的程序，通常要经过 5 个步骤：预处理、编译、汇编、链接、运行。不同的编译型语言，在这 5 个步骤中所进行的操作又有些不同

  C 作为一门静态语言，在编译阶段就已经确定了所有变量的数据类型，同时也确定好了要调用的函数，以及函数的实现

  Objective-C 作为一门动态语言，在编译阶段并不知道变量的具体数据类型，也不知道所真正调用的是哪个方法。只有在运行期间才检查变量的数据类型，同时在运行期间才会根据方法名查找要调用的具体方法。这样在程序没运行的时候，我们并不知道调用一个方法具体会发生什么

  Objective-C 把一些决定性的工作从（编译阶段、链接阶段）推迟到（运行时阶段）的机制，使得 Objective-C 变得更加的灵活。我们甚至可以在程序运行的时候，动态地去修改一个方法的实现，这也为大为流行的『热更新』提供了可能性

  实现 Objective-C 运行时机制的一切基础就是 RunTime。RunTime 实际上是一个动态库，这个动态库使我们可以在程序运行时动态地创建对象、检查对象，修改类和对象的方法

实例对象 && 类对象 && 元类对象

• Object（实例对象）

  Object（实例对象）被定义为指向 struct objc_object 的指针，其数据结构如下：

  // A pointer to an instance of a class.（指向一个类的一个实例的指针）
  // Objective-C 中的 id 类型，被定义为一个指向 struct objc_object 的指针，即被定义为一个指向实例对象的指针
  typedef struct objc_object *id;
  
  // Represents an instance of a class.（表示一个类的一个实例）
  struct objc_object {
       
       
      Class _Nonnull isa;	// 指向该实例对象所属的类
      // 编译时，根据开发者所定义的类的不同，编译器会以 struct objc_object 为模板，生成不同的 struct XXX_IMPL，并在 struct XXX_IMPL 中添加该类的实例对象所特有的成员变量
      // 成员变量 0
      // 成员变量 1
      // 成员变量 2
      // ...
  };
  

  当对一个实例对象进行成员变量访问时，比如 receiver->_ variable = 10;，RunTime 会根据成员变量在实例对象（struct objc_object）中的偏移量，找到相应的成员变量，然后进行访问

  当对一个实例对象进行方法调用时，比如 [receiver selector];，RunTime 会通过实例对象（struct objc_object）的 isa 指针找到对应的类对象（struct objc_class），然后在类对象（struct objc_class）的 methodLists（方法列表数组）中查找相应方法的地址，然后跳转执行

• Class（类对象）

  Class（类对象）被定义为指向 struct objc_class 的指针，其数据结构如下：

  // An opaque type that represents an Objective-C class.（一个不透明的类型，用于表示 Objective-C 中的一个类）
  typedef struct objc_class *Class;
  
  struct objc_class {
       
       
      Class _Nonnull isa;	// is-a 指针，对象的 is-a 指针指向类对象，类对象的 is-a 指针指向元类对象，元类对象的 is-a 指针指向根元类对象
  #if !__OBJC2__
      Class _Nullable super_class;									// 父类
      const char * _Nonnull name;										// 类名
      long version;													// 类的版本信息，默认为 0
      long info;														// 类的信息，供运行时使用的一些标识位，如 CLS_CLASS(0x1L) 表示类对象，其中包含对象方法和成员变量。CLS_META(0x2L) 表示元类对象，其中包含类方法
      long instance_size;												// 该类的实例变量大小
      struct objc_ivar_list * _Nullable ivars;						// 该类的成员变量链表（一维）
      struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists;	// 该类的方法列表链表（二维）
      struct objc_cache * _Nonnull cache;								// 该类的方法缓存
      struct objc_protocol_list * _Nullable protocols;				// 该类遵守的协议链表
  #endif
  };
  

  struct objc_class 中存储的是（用于描述类简要信息）与（用于描述实例对象详细信息）的变量，即 struct objc_class 存放的都是元数据（meta-data）

  struct objc_class 的第一个成员变量是 isa 指针，在 Objective-C 体系结构中，isa 指针用于表示一个对象所属的类。换句话说，在 Objective-C 中类的本质也是一个对象，称之为类对象

  在 Objective-C 中成员变量与属性都是依附在实例对象上的，并且在 Objective-C 中不存在所谓的 类成员变量 与 类属性

  当对一个类对象进行方法调用时，比如 [Receiver selector];，RunTime 会通过类对象（struct objc_class）的 isa 指针找到对应的元类对象（struct objc_class），然后在元类对象（struct objc_class）的 methodLists（方法列表数组）中找到相应方法的地址，然后跳转执行

• Meta-Class（元类对象）

  在 Objective-C 中：
  一个 实例对象 所属的类叫做 类对象，用于描述实例对象本身所具有的特征
  一个 类对象 所属的类叫做 元类对象，用于描述类对象本身所具有的特征

  在 Objective-C 中，isa 指针用于表示一个对象所属的类：
  实例对象（struct objc_object）的 isa 指针指向类对象（struct objc_class）
  类对象（struct objc_class）的 isa 指针指向元类对象（struct objc_class）
  元类对象（struct objc_class）的 isa 指针指向根元类对象（struct objc_class）
  因此，元类对象也用 struct objc_class 表示。与类对象不同的是，元类对象的 struct objc_class 结构体中存储的是（用于描述类对象详细信息）的变量

  对象方法的调用过程为：通过实例对象的 isa 指针找到其所属的类对象，在类对象的方法列表数组中寻找对应的 selector，然后跳转执行
  类方法的调用过程为：通过类对象的 isa 指针找到其所属的元类对象，在元类对象的方法列表数组中寻找对应的 selector，然后跳转执行

  举个例子：

  // stringWithFormat: 消息被发送给了 NSString 的类对象，NSString 的类对象通过自己的 isa 指针找到 NSString 的元类对象
  // 在 NSString 的元类对象的方法列表中找到对应的 stringWithFormat: 方法，然后执行该方法
  NSString* str = [NSString stringWithFormat:@"%@ = %d", @"result", 3];
  

• 实例对象、类对象、元类对象 之间的关系
  
  关于 isa 指针：

  1. 实例对象的 isa 指针指向类对象，类对象的 isa 指针指向元类对象
  2. 所有元类对象的 isa 指针都直接指向 NSObject 的元类对象（因此，NSObject 的元类对象也被称为根元类）
  3. 根元类的 isa 指针指向自己

  关于 superclass 指针：

  1. 实例对象没有 superclass 指针
  2. 类对象的 superclass 指针指向（父类的类对象），（父类的类对象）的 superclass 指针指向（根类的类对象），（根类的类对象）的 superclass 指针指向 nil
  3. 元类对象的 superclass 指针指向（父类的元类对象），（父类的元类对象）的 superclass 指针指向（根类的元类对象）
  4. （根类的元类对象）的 superclass 指针指向（根类的类对象），（根类的类对象）的 superclass 指针最终指向 nil

  注意：

  1. 同一个类的所有实例对象，有且仅有一个与之对应的类对象
  2. 每个类对象有且仅有一个与之对应的元类对象
  3. 每一个类对象有且仅有一个父类对象
  4. 每一个元类对象有且仅有一个父元类对象

• 实例对象的内存布局

  Person 类继承自 NSObject，Man 类继承自 Person 类，Person 类和 Man 类各自有成员变量和属性，如下所示：
  
  
  使用 XCode 命令行工具，将 Man.m 转换成 Man.cpp：

  // 如果转换失败，请检查：XCode - Preferences... - Locations - Command Line Tool 选项是否正确地选择了当前的 XCode 版本
  xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc Man.m -o Man.cpp
  

  在 Man.cpp 中得到表示 NSObject 实例对象、Person 实例对象、Man 实例对象 的结构体，如下所示：

  // RunTime 中表示 NSObject 实例对象的结构体
  struct NSObject_IMPL {
       
       
  	Class isa;
  };
  
  // RunTime 中表示 Person 实例对象的结构体
  struct Person_IMPL {
       
       
  	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
  	int personA;
  	NSString *personB;
  };
  
  // RunTime 中表示 Man 实例对象的结构体
  struct Man_IMPL {
       
       
  	struct Person_IMPL Person_IVARS;
  	int manA;
  	NSString *manB;
  	int _manC;
  	NSString * _Nonnull _manD;
  };
  
  // Man 实例对象的内存布局等价于
  struct Man_IMPL {
       
       
  	Class isa;					// 继承自 NSObject 类的成员变量
  	int personA;				// 继承自 Person 类的成员变量
  	NSString *personB;			// 继承自 Person 类的成员变量
  	int manA;					// Man 类自身的成员变量
  	NSString *manB;				// Man 类自身的成员变量
  	int _manC;					// Man 类自身的成员变量
  	NSString * _Nonnull _manD;	// Man 类自身的成员变量
  };
  
  // 注意：
  // 1.在 Objective-C 中，实例对象的本质是一个结构体
  // 2.实例对象结构体的第一个元素恒定为 isa 指针，指向其对应的类对象
  // 3.实例对象结构体中包含继承自父类的成员变量（@public、@protected）
  // 4.实例对象结构体中包含其自身所有的成员变量（@public、@protected、@private、@package）
  

成员变量 && 属性 && 方法 && 协议

• Ivar（成员变量）

  Ivar（成员变量）被定义为指向 struct objc_ivar 的指针，其数据结构如下：

  // An opaque type that represents an instance variable.（一个不透明的类型，用于表示一个成员变量）
  typedef struct objc_ivar *Ivar;
  
  // 用于描述实例对象的单个成员变量
  struct objc_ivar {
       
       
      char * _Nullable ivar_name;	// 成员变量名称
      char * _Nullable ivar_type;	// 成员变量类型（并不是真实的成员变量类型，而是经过类型编码的 C 字符串）
      int ivar_offset;			// 成员变量相对于基地址的偏移量（Byte，基地址指的是实例对象结构体的首地址）
  #ifdef __LP64__
      int space;
  #endif
  };
  
  // 用于描述实例对象所具有的成员变量列表
  struct objc_ivar_list {
       
       
      int ivar_cou