ios runtime基础知识

原创
2016/06/02 01:06
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前言

学习Objective-C的运行时Runtime系统是很有必要的。个人觉得,得之可得天下,失之则失天下。

Objective-C提供了编译运行时,只要有可能,它都可以动态地运作。这意味着不仅需要编译器,还需要运行时系统执行编译的代码。运行时系统充当Objective-C语言的操作系统,有了它才能运作。

运行时系统所提供功能是非常强大的,在实际开发中是经常使用到的。比如,苹果不允许我们给Category追加扩展属性,是因为它不会自动生成成员变量,那么我们通过运行时就可以很好的解决这个问题。另外,常见的模型转字典或者字典转模型,对象归档等。后续我们再来学习如何应用,本节只是讲讲理论。

与Runtime交互

Objective-C程序有有三种与runtime系统交互的级别:

  1. 通过Objective-C源代码
  2. 通过Foundation库中定义的NSObject提供的方法
  3. 通过直接调用runtime方法

通过Objective-C源代码

在大多数的部分,运行时系统会自动运行并在后台运行。我们使用它只是写源代码并编译源代码。当编译包含Objective-C类和方法的代码时,编译器会创建实现了语言动态特性的数据结构和函数调用。该数据结构捕获在类、扩展和协议中所定义的信息。

最重要的runtime函数是发消息函数,在编译时,编译器会转换成类似objc_msgSend这样的发送消息的函数。因此,我们通过写好源代码,编译器会自动帮助我们编译成runtime代码。

通过NSObject提供的方法

在Cocoa编程中,大部分的类都继承于NSObject,也就是说NSObject通常是根类,大部分的类都继承于NSObject。有些特殊的情况下,NSObject只是提供了它应该要做什么的模板,却没有提供所有必须的代码。

有些NSObject提供的方法仅仅是为了查询运动时系统的相关信息,这此方法都可以反查自己。比如-isKindOfClass:和-isMemberOfClass:都是用于查询在继承体系中的位置。-respondsToSelector:指明是否接受特定的消息。+conformsToProtocol:指明是否要求实现在指定的协议中声明的方法。-methodForSelector:提供方法实现的地址。

通过直接调用runtime函数

runtime库函数在usr/include/objc目录下,我们主要关注是这两个头文件:

#import <objc/runtime.h>
#import <objc/objc.h>


消息(Message)关于如何使用,后续的文章再细细讲解。

为什么叫消息呢?因为面向对象编程中,对象调用方法叫做发送消息。在编译时,应用的源代码就会被编将对象发送消息转换成runtime的objc_msgSend函数调用。

在Objective-C,消息在运行时并不要求实现。编译器会转换消息表达式:

[receiver message];


在编译时会转换成类似这样的函数调用:

objc_msgSend(receiver, selector);


具体会转换成哪个,我们来看看官方的原话:

When it encounters a method call, the compiler generates a call to one of the
 *  functions \c objc_msgSend, \c objc_msgSend_stret, \c objc_msgSendSuper, or \c objc_msgSendSuper_stret.
 *  Messages sent to an object’s superclass (using the \c super keyword) are sent using \c objc_msgSendSuper; 
 *  other messages are sent using \c objc_msgSend. Methods that have data structures as return values
 *  are sent using \c objc_msgSendSuper_stret and \c objc_msgSend_stret.
 

objc_msgSend:其它普通的消息都会通过该函数来发送也就是说,我们是通过编译器来自动转换成运行时代码时,它会根据类型自动转换成下面的其它一个函数:

  • objc_msgSend_stret:消息中需要有数据结构作为返回值时,会通过该函数来发送消息并接收返回值
  • objc_msgSendSuper:与objc_msgSend函数类似,只是它把消息发送给父类实例
  • objc_msgSendSuper_stret:与objc_msgSend_stret函数类似,只是它把消息发送给父类实例并接收数组结构作为返回值

另外,如果函数返回值是浮点类型,官方说明如下:

* arm:    objc_msgSend_fpret not used
 * i386:   objc_msgSend_fpret used for `float`, `double`, `long double`.
 * x86-64: objc_msgSend_fpret used for `long double`.
 *
 * arm:    objc_msgSend_fp2ret not used
 * i386:   objc_msgSend_fp2ret not used
 * x86-64: objc_msgSend_fp2ret used for `_Complex long double`.
 

注意事项:一定要调用所调用的API支持哪些平台,乱调在导致部分平台上不支持而崩溃的。其实这是一个条件编译,我们不用担心是哪种处理器上,我们只需要调用objc_msgSend_fpret函数即可。

当消息被发送到实例对象时,它是如何处理的:

我们的根类是NSObject,它会一层一层的传递,直接找到要处理该消息的对象,若都没有找到,正常情况下会出现Unreconized selector ...这样的崩溃提示了。

Message Forwarding

当发送消息给一个不处理该消息的对象是错误的。然后在宣布错误之前,运行时系统给了接收消息的对象处理消息的第二个机会。

当某对象不处理某消息时,可以通过重写-forwardInvocation:方法来提供一个默认的消息响应或者避免出错。当对象中找不到方法实现时,会按照类继承关系一层层往上找。

所有元类中的isa指针都指向根元类,而根元类的isa指针则指向自身。根元类是继承于根类的,与根类的结构体成员一致,都是objc_class结构体,不同的是根元类的isa指针指向自身,而根类的isa指针为nil

当对象查询不到相关的方法,消息得不到该对象处理,会启动“消息转发”机制。消息转发还分为几个阶段:先询问receiver或者说是它所属的类是否能动态添加方法,以处理当前这个消息,这叫做“动态方法解析”,runtime会通过+resolveInstanceMethod:判断能否处理。如果runtime完成动态添加方法的询问之后,receiver仍然无法正常响应则Runtime会继续向receiver询问是否有其它对象即其它receiver能处理这条消息,若返回能够处理的对象,Runtime会把消息转给返回的对象,消息转发流程也就结束。若无对象返回,Runtime会把消息有关的全部细节都封装到NSInvocation对象中,再给receiver最后一次机会,令其设法解决当前还未处理的这条消息。

提示:消息处理越往后,开销也就会越大,因此最好直接在第一步就可以得到消息处理。

我们看看类结构体:

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
 
#if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
 
} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */
 

我们在使用时,经常使用到Class,它就是:我们可以看到每个类结构体都会有一个isa指针,它是指向元类的。它还有一个父类指针super_class,指针父类。包含了类的名称name、类的版本信息version、类的一些标识信息info、实例大小instance_size、成员变量地址列表ivars、方法地址列表methodLists、缓存最近使用的方法地址cache、协议列表protocols`。

typedef struct objc_class *Class;


 

当类为根类时,它的super_class就会是nil。普通的Class存储的是实例成员,如-号方法、属性、成员变量,而isa则指向元类,而元类存储的是静态成员,如+号方法、static成员。

 

Type Encoding

编码值

含意

c

代表char类型

i

代表int类型

s

代表short类型

l

代表long类型,在64位处理器上也是按照32位处理

q

代表long long类型

C

代表unsigned char类型

I

代表unsigned int类型

S

代表unsigned short类型

L

代表unsigned long类型

Q

代表unsigned long long类型

f

代表float类型

d

代表double类型

B

代表C++中的bool或者C99中的_Bool

v

代表void类型

*

代表char *类型

@

代表对象类型

#

代表类对象 (Class)

:

代表方法selector (SEL)

[array type]

代表array

{name=type…}

代表结构体

(name=type…)

代表union

bnum

A bit field of num bits

type

A pointer to type

?

An unknown type (among other things, this code is used for function pointers)

我们想要通过运行时处理各种类型,那么我们必须要知道哪种字符代表什么类型。

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