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iOS开发·runtime原理与实践: 基本知识篇

iOS开发火邑
 iOS开发火邑
发布于 07/07 10:45
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摘要:这篇文章首先介绍runtime原理,包括类,超类,元类,super_class,isa,对象,方法,SEL,IMP等概念,同时分别介绍与这些概念有关的API。接着介绍方法调用流程,以及寻找IMP的过程。然后,介绍一下这些API的常见用法,并介绍runtime的冷门知识。最后介绍一下runtime的实战指南。

 

1. 运行时

1.1 基本概念: 运行时

Runtime 的概念

Runtime 又叫运行时,是一套底层的 C 语言 API,其为 iOS 内部的核心之一,我们平时编写的 OC 代码,底层都是基于它来实现的。比如:

以上你可能看不出它的价值,但是我们需要了解的是 Objective-C 是一门动态语言,它会将一些工作放在代码运行时才处理而并非编译时。也就是说,有很多类和成员变量在我们编译的时是不知道的,而在运行时,我们所编写的代码会转换成完整的确定的代码运行。

因此,编译器是不够的,我们还需要一个运行时系统(Runtime system)来处理编译后的代码。Runtime 基本是用 C 和汇编写的,由此可见苹果为了动态系统的高效而做出的努力。苹果和 GNU 各自维护一个开源的 Runtime 版本,这两个版本之间都在努力保持一致。

Runtime 的作用

Objc 在三种层面上与 Runtime 系统进行交互:

通过 Objective-C 源代码

通过 Foundation 框架的 NSObject 类定义的方法

通过对 Runtime 库函数的直接调用

1.2 各种基本概念的C表达

在 Objective-C 中,类、对象和方法都是一个 C 的结构体,从  objc/objc.h(对象,objc_object,id)以及objc/runtime.h(其它,类,方法,方法列表,变量列表,属性列表等相关的)以及中,我们可以找到他们的定义。

① 类

类对象(Class)是由程序员定义并在运行时由编译器创建的,它没有自己的实例变量,这里需要注意的是类的成员变量实例方法列表是属于实例对象的,但其存储于类对象当中的。我们在objc/objc.h下看看Class的定义:

Class

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可以看到类是由Class类型来表示的,它是一个objc_class结构类型的指针。我们接着来看objc_class结构体的定义:

objc_class

参数解析

isa指针是和Class同类型的objc_class结构指针,类对象的指针指向其所属的类,即元类。元类中存储着类对象的类方法,当访问某个类的类方法时会通过该isa指针从元类中寻找方法对应的函数指针。

super_class指针指向该类所继承的父类对象,如果该类已经是最顶层的根类(如NSObject或NSProxy), 则 super_class为NULL。

cache:用于缓存最近使用的方法。一个接收者对象接收到一个消息时,它会根据isa指针去查找能够响应这个消息的对象。在实际使用中,这个对象只有一部分方法是常用的,很多方法其实很少用或者根本用不上。这种情况下,如果每次消息来时,我们都是methodLists中遍历一遍,性能势必很差。这时,cache就派上用场了。在我们每次调用过一个方法后,这个方法就会被缓存到cache列表中,下次调用的时候runtime就会优先去cache中查找,如果cache没有,才去methodLists中查找方法。这样,对于那些经常用到的方法的调用,但提高了调用的效率。

version:我们可以使用这个字段来提供类的版本信息。这对于对象的序列化非常有用,它可是让我们识别出不同类定义版本中实例变量布局的改变。

protocols:当然可以看出这一个objc_protocol_list的指针。关于objc_protocol_list的结构体构成后面会讲。

获取类的类名

实例对象是我们对类对象alloc或者new操作时所创建的,在这个过程中会拷贝实例所属的类的成员变量,但并不拷贝类定义的方法。调用实例方法时,系统会根据实例的isa指针去类的方法列表及父类的方法列表中寻找与消息对应的selector指向的方法。同样的,我们也来看下其定义:

objc_object

可以看到,这个结构体只有一个isa变量,指向实例对象所属的类。任何带有以指针开始并指向类结构的结构都可以被视作objc_object, 对象最重要的特点是可以给其发送消息。 NSObject类的alloc和allocWithZone:方法使用函数class_createInstance来创建objc_object数据结构。

另外我们常见的id类型,它是一个objc_object结构类型的指针。该类型的对象可以转换为任何一种对象,类似于C语言中void *指针类型的作用。其定义如下所示:

id

元类(Metaclass)就是类对象的类,每个类都有自己的元类,也就是objc_class结构体里面isa指针所指向的类. Objective-C的类方法是使用元类的根本原因,因为其中存储着对应的类对象调用的方法即类方法。

当向对象发消息,runtime会在这个对象所属类方法列表中查找发送消息对应的方法,但当向类发送消息时,runtime就会在这个类的meta class方法列表里查找。所有的meta class,包括Root class,Superclass,Subclass的isa都指向Root class的meta class,这样能够形成一个闭环。

 

所以由上图可以看到,在给实例对象或类对象发送消息时,寻找方法列表的规则为:

当发送消息给实例对象时,消息是在寻找这个对象的类的方法列表(实例方法)

当发送消息给类对象时,消息是在寻找这个类的元类的方法列表(类方法)

元类,就像之前的类一样,它也是一个对象,也可以调用它的方法。所以这就意味着它必须也有一个类。所有的元类都使用根元类作为他们的类。比如所有NSObject的子类的元类都会以NSObject的元类作为他们的类。

根据这个规则,所有的元类使用根元类作为他们的类,根元类的元类则就是它自己。也就是说基类的元类的isa指针指向他自己。

操作函数

super_class和meta-class

 

在Objective-C中,属性(property)和成员变量是不同的。那么,属性的本质是什么?它和成员变量之间有什么区别?简单来说属性是添加了存取方法的成员变量,也就是:

@property = ivar + getter + setter;

因此,我们每定义一个@property都会添加对应的ivar, getter和setter到类结构体objc_class中。具体来说,系统会在objc_ivar_list中添加一个成员变量的描述,然后在methodLists中分别添加setter和getter方法的描述。下面的objc_property_t是声明的属性的类型,是一个指向objc_property结构体的指针。

用法举例

另外,关于属性有一个objc_property_attribute_t结构体列表,objc_property_attribute_t结构体包含name和value

objc_property_attribute_t

常用的属性如下:

属性类型 name值:T value:变化

编码类型 name值:C(copy) &(strong) W(weak)空(assign) 等 value:无

非/原子性 name值:空(atomic) N(Nonatomic) value:无

变量名称 name值:V value:变化

例如

⑤ 成员变量

Ivar: 实例变量类型,是一个指向objc_ivar结构体的

指针

Ivar

在objc_class中,所有的成员变量、属性的信息是放在链表ivars中的。ivars是一个数组,数组中每个元素是指向Ivar(变量信息)的指针。

objc_ivar_list

 

其中,

方法名类型为 SEL

方法类型 method_types 是个 char 指针,存储方法的参数类型和返回值类型

method_imp 指向了方法的实现,本质是一个函数指针

简言之,Method = SEL + IMP + method_types,相当于在SEL和IMP之间建立了一个映射。

操作函数

 

 

在源码中没有直接找到 objc_selector 的定义,从一些书籍上与 Blog 上看到可以将 SEL 理解为一个 char* 指针。

具体这 objc_selector 结构体是什么取决与使用GNU的还是Apple的运行时, 在Mac OS X中SEL其实被映射为一个C字符串,可以看作是方法的名字,它并不一个指向具体方法实现(IMP类型才是)。

对于所有的类,只要方法名是相同的,产生的selector都是一样的。

操作函数

实际上就是一个函数指针,指向方法实现的首地址。通过取得 IMP,我们可以跳过 runtime 的消息传递机制,直接执行 IMP指向的函数实现,这样省去了 runtime 消息传递过程中所做的一系列查找操作,会比直接向对象发送消息高效一些,当然必须说明的是,这种方式只适用于极特殊的优化场景,如效率敏感的场景下大量循环的调用某方法。

操作函数

上面提到了objc_class结构体中的cache字段,它用于缓存调用过的方法。这个字段是一个指向objc_cache结构体的指针,其定义如下:

Cache

 

该结构体的字段描述如下:

mask:一个整数,指定分配的缓存bucket的总数。在方法查找过程中,Objective-C runtime使用这个字段来确定开始线性查找数组的索引位置。指向方法selector的指针与该字段做一个AND位操作(index = (mask & selector))。这可以作为一个简单的hash散列算法。

occupied:一个整数,指定实际占用的缓存bucket的总数。

buckets:指向Method数据结构指针的数组。这个数组可能包含不超过mask+1个元素。需要注意的是,指针可能是NULL,表示这个缓存bucket没有被占用,另外被占用的bucket可能是不连续的。这个数组可能会随着时间而增长。

⑪ 协议链表

前面objc_class的结构体中有个协议链表的参数,协议链表用来存储声明遵守的正式协议

objc_protocol_list

 

2. 方法调用流程

objc_msgSend() Tour 系列文章通过对 objc_msgSend 的汇编源码分析,总结出以下流程:

2.1 方法调用流程

检查 selector 是否需要忽略

检查 target 是否为 nil,如果是 nil 就直接 cleanup,然后 return

在 target 的 Class 中根据 selector 去找 IMP

2.2 寻找 IMP 的过程:

在当前 class 的方法缓存里寻找(cache methodLists)

找到了跳到对应的方法实现,没找到继续往下执行

从当前 class 的 方法列表里查找(methodLists),找到了添加到缓存列表里,然后跳转到对应的方法实现;没找到继续往下执行

从 superClass 的缓存列表和方法列表里查找,直到找到基类为止

以上步骤还找不到 IMP,则进入消息动态处理和消息转发流程,详见请关注微信公众号:程序员大牛!

我们能在  objc4官方源码 中找到上述寻找 IMP 的过程,具体对应的代码如下:

objc-class.mm

3. 运行时相关的API

3.1 通过 Foundation 框架的 NSObject 类定义的方法

Cocoa 程序中绝大部分类都是 NSObject 类的子类,所以都继承了 NSObject 的行为。(NSProxy 类时个例外,它是个抽象超类)

一些情况下,NSObject 类仅仅定义了完成某件事情的模板,并没有提供所需要的代码。例如 -description 方法,该方法返回类内容的字符串表示,该方法主要用来调试程序。NSObject 类并不知道子类的内容,所以它只是返回类的名字和对象的地址,NSObject 的子类可以重新实现。

还有一些 NSObject 的方法可以从 Runtime 系统中获取信息,允许对象进行自我检查。例如:

-class方法返回对象的类;

-isKindOfClass: 和 -isMemberOfClass: 方法检查对象是否存在于指定的类的继承体系中(是否是其子类或者父类或者当前类的成员变量);

-respondsToSelector: 检查对象能否响应指定的消息;

-conformsToProtocol:检查对象是否实现了指定协议类的方法;

-methodForSelector: 返回指定方法实现的地址。

常见的一个例子:

 

 

 

id 和 void * 转换API:(__bridge void *)

在 ARC 有效时,通过 (__bridge void *)转换 id 和 void * 就能够相互转换。为什么转换?这是因为objc_getAssociatedObject的参数要求的。先看一下它的API:

可以知道,这个“属性名”的key是必须是一个void *类型的参数。所以需要转换。关于这个转换,下面给一个转换的例子:

 

4. 运行时实战指南

上面的API不是提供大家背的,而是用来查阅的,当你要用到的时候查阅。因为这些原理和API光看没用,需要实战之后再回过头来查阅和理解。笔者另外写了runtime的原理与实践。如果想了解runtime的更多知识,可以关注微信公众号:程序员大牛,每天分享干货!

© 著作权归作者所有

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