OC-runtime学习札记

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本文深入探讨Objective-C运行时机制，包括id与Class定义、objc_msgSend工作流程、IMP概念及其作用、msg_sender流程、objc_method_list结构及动态方法解析与消息转发机制。

前言

结论：ObjC是一种面向对象的编程语言，具有运行时的特性，是通过ObjC runtime来实现的，即尽可能把代码执行的决策从编译链接推迟到运行时。

与静态语言相比一个明显的例子：

#include < stdio.h >

int main(int argc, const char **argv[])
{
        printf("Hello World!");
        return 0;
}

编译后得到相应的汇编语言，再链接库，生成可执行代码。


对于ObjC中常见的消息发送：
[self doSomethingWithVar:var1];
编译器编译后得到：objc_msgSend(self,@selector(doSomethingWithVar:),var1);
得到一个C的方法，传入了三个变量，仅此。
对于ObjC runtime来说，需要做的事就是加载类的信息，进行方法的分发和转发等操作。
接下来看一些基本的概念：
1、id的定义
对象结构体：
typedef struct objc_object {
    Class isa;
} *id;
任意类型（id）是一个objc_object结构类型的指针，所有的objc_object对象的结构体中都有一个isa指针，这个isa指向它所属的类，
运行时靠这个isa指针来检测这个对象是否可以响应一个selector。
2、Class的定义：
类结构体：
typedef struct objc_class *Class;
Class 是一个objc_class结构类型的指针；
接下来看objc_class的定义：
struct objc_class
{
    struct objc_class* isa;
    struct objc_class* super_class;
    const char* name;
    long version;
    long info;
    long instance_size;
    struct objc_ivar_list* ivars;
    struct objc_method_list** methodLists;
    struct objc_cache* cache;
    struct objc_protocol_list* protocols;
};
解读isa
发现有两个isa，OC对类对象和实例对象中的isa所指向的类结构作了不同的命名：
类对象中的isa指向类结构被称作meta class，meta class存储类的static类成员变量与+开头的static类成员方法。
实例对象中的isa指向类结构被称作 class（就是平时所得该对象所属的类），class结构存储类的普通成员变量与-开头的普通成员方法。
解读super_class
顾名思义，super_class指向当前类的父类，特殊的是根类NSObject的super_class指向nil。
关于类 父类 根类 ，子类的isa 类的isa关系总结：
1、类的实例对象的isa指向该类，该类的isa指向该类的meta class；
2、类的super_class指向该类的父类，根类的super_class指向nil；
3、meta class 的isa 指向根类的meta class，根类的meta class 指向根类meta class自身。
4、meta class 的super_class指向父类的meta class，根类的meta class的super_class指向meta class 对应的类。
转载一张图,清晰明了：
专门说一下，class与meta class的区别：
class 是 实例对象的类型，向 实例对象 发送消息（调用实例方法）时，我们在该实例对象的class结构的methodlists（Class结构体中查看）中查找响应的函数，
如果没有找到则到该class的父类的methodlists中去查找，就这样一直找到跟类的methodlists，仍没有找到就会响应动态方法解析与消息转发机制。
meta class 是 类对象的类型，向 类对象 发送消息（调用类方法）时，我们在该类对象的meta class结构的methodlists中查找响应的函数，
如果没有找到则到该meta class的父类的methodlists中去查找，就这样一直找到跟类的methodlists，仍没有找到就会响应动态方法解析与消息转发机制。
name
一个c字符串，只是类的名称，可以通过这个名称查找到该类。
通过：id objc_getClass(const char *aClassName)）或该类的 metaclass（id objc_getMetaClass(const char *aClassName)
instance_size
该类的实例变量大小包括父类继承下的。
ivars
指向 objc_ivar_list 的指针，存储每个实例变量的内存地址，如果该类没有任何实例变量则为 NULL。
实例变量是通过基类地址加变量位置偏移得到的。
info：
供运行期使用的一些位标识。
methodLists：
与info的一些标志位有关，如果 info 设置了 CLS_CLASS 则 objc_method_list  存储实例方法，如果设置的是 CLS_META 则存储类方法。
cache：
指向 objc_cache 的指针，用来缓存最近使用的方法，以提高效率。
protocol：
指向 objc_protocol_list 的指针，存储该类声明要遵守的正式协议。
3、objc_msgSend定义
id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)
typedef struct objc_selector *SEL;
objc_selector是一个根据方法的名字来区分方法的唯一ID，只要名字相同selector就相同。
不同的类可以拥有相同的selector，不同类的实例对象执行相同的selector时，会在各自的方法列表中根据selector去寻找自己对应的IMP。

4、IMP定义
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...); 
IMP本质就是一个函数指针，这个被指向的函数包含一个接收消息的对象id，调用方法的SEL，以及一些方法参数，并返回一个id。
因此我们可以通过SEL获得它所对应的IMP，在取得了函数指针之后，也就意味着我们取得了需要执行方法的代码入口，这样我们就可以像普通的C语言函数调用一样使用这个函数指针。

5、msg_sender工作流程
在Objective-C中，消息直到运行时才会绑定到方法的实现上。编译器会把代码中[target doSth]转换成objc_msgSend消息函数，这个函数完成了动态绑定的所有事情。它的运行流程如下:
检查selector是否需要忽略。(ps: Mac开发中开启GC就会忽略retain,release方法。)
检查target是否为nil。如果为nil，直接cleanup，然后return。(这就是我们可以向nil发送消息的原因。)
然后在target的Class中根据Selector去找IMP
寻找IMP的过程:
先从当前class的cache方法列表（cache methodLists）里去找
找到了，跳到对应函数实现
没找到，就从class的方法列表（methodLists）里找
还找不到，就到super class的方法列表里找，直到找到基类(NSObject)为止
最后再找不到，就会进入动态方法解析和消息转发的机制。

objc_method_list存储当前类的方法链表，里面包含objc_method，它存储了类的某个方法的信息。
typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;
结论，objct_class中的method_list保存了一组SEL<->IMP的关系映射表。
6、动态方法解析和消息转发机制

当在最终的MethodLists里仍找不到响应方法时，系统提供三次机会，否则抛出异常，程序崩溃。
① 动态方法解析 +（Bool）resolveInstanceMethod:(SEL)sel
举例：通过sel判断满足条件后，增加一个响应方法，并返回YES
<pre name="code" class="objc">+（Bool）resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
     if(sel == @selector(method:)){
       class_addMethod([self class],sel,(IMP)newMethod,"v@:");
       
     }
     <code class="js spaces"></code><code class="js keyword">return</code> <code class="js plain">[</code><code class="js keyword">super</code> <code class="js plain">resolveInstanceMethod:sel];</code>
 }
② 备用接受者 - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;

   返回一个能响应该方法的target对象
③ 消息转发- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
对象会创建一个表示消息的NSInvocation对象，把与尚未处理的消息有关的全部细节都封装在anInvocation中，包括selector，目标(target)和参数。
我们可以在forwardInvocation方法中选择将消息转发给其它对象。

我们必须重写以下方法：1 - (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector