iOS底层原理系列03-Objective-C运行时机制

1. Runtime 架构详解与内部工作机制

OC 作为一门动态语言，其强大的灵活性主要源于其底层运行时系统（Runtime）。Runtime 系统实质上是一套 C 和汇编语言编写的 API，它作为 OC 与底层系统之间的桥梁，使得 OC 拥有了动态特性。

OC Runtime 系统的核心架构由以下几个关键组件构成：

1. Class 结构体：用于表示类的基本单元
2. Object 结构体：表示对象实例
3. Method 结构体：封装方法信息
4. IMP 函数指针：指向方法的实际实现
5. SEL 选择器：方法的唯一标识符

在 iOS 开发中，我们日常编写的 OC 代码最终都会转换为 Runtime 的 C 函数调用。这一转换过程由编译器和运行时系统共同完成。

现在，让我们来看一下 Runtime 系统中最核心的几个数据结构的定义：

// objc 对象结构
struct objc_object {
    Class isa;  // 指向类的指针
};

// 类结构
struct objc_class {
    Class isa;  // 元类指针
    Class super_class;  // 父类指针
    const char *name;  // 类名
    long version;  // 版本信息
    long info;  // 类信息
    long instance_size;  // 实例大小
    struct objc_ivar_list *ivars;  // 实例变量列表
    struct objc_method_list **methodLists;  // 方法列表
    struct objc_cache *cache;  // 方法缓存
    struct objc_protocol_list *protocols;  // 协议列表
};

// 方法结构
struct objc_method {
    SEL method_name;  // 方法选择器
    char *method_types;  // 方法类型编码
    IMP method_imp;  // 方法实现函数指针
};

Runtime 系统的核心工作原理围绕着这些结构体展开，通过它们实现了 OC 语言的动态特性，包括动态类型、动态绑定以及动态加载等功能。

2. 消息传递机制

2.1 objc_msgSend实现原理

OC 中的方法调用本质上是消息传递过程。当我们编写如下代码时：

[object method:argument];

编译器会将其转换为：

objc_msgSend(object, @selector(method:), argument);

objc_msgSend 函数是 Runtime 系统的核心，它的基本实现原理如下：

1. 获取对象的 isa 指针，找到对应的类
2. 在类的方法缓存中查找方法
3. 如果缓存中找不到，则在方法列表中查找
4. 如果当前类中找不到，则沿着继承链向上查找
5. 如果继承链上都没有找到，则进入消息转发流程
6. 找到方法后，执行对应的 IMP 函数指针

objc_msgSend 主要使用汇编语言实现，以保证最高的性能。其伪代码逻辑大致如下：

id objc_msgSend(id self, SEL _cmd, ...) {
    if (self == nil) return nil;
    
    // 查找实现
    IMP imp = lookUpImpOrForward(self, _cmd);
    
    // 执行方法实现，传递所有参数
    return imp(self, _cmd, ...);
}

2.2 方法查找流程分析

当 objc_msgSend 函数开始查找方法实现时，会按照以下顺序执行查找：

1. 缓存查找：首先在对象所属类的方法缓存（cache）中查找，缓存使用哈希表实现，查找速度非常快。
2. 当前类查找：如果缓存中没有找到，则在类的方法列表（methodLists）中查找。这个过程相对较慢，因为需要遍历方法列表。
3. 父类链查找：如果在当前类中没有找到方法，则沿着继承链向上查找父类的方法，同样遵循缓存优先的原则。
4. 动态解析：如果继承链上都没有找到对应方法，则会触发动态方法解析流程，调用 +resolveInstanceMethod: 或 +resolveClassMethod: 方法。
5. 消息转发：如果动态解析未能解决问题，则进入完整的消息转发流程。

方法查找的源码实现位于 objc-runtime-new.mm 文件中的 lookUpImpOrForward 函数：

IMP lookUpImpOrForward(id obj, SEL sel, Class cls, int behavior) {
    // 缓存查找
    if (cache_getI