iOS 基础知识:Runtime


概念理解

Category 的实现原理?

Category 实际上是 Category_t 的结构体,在运行时,新添加的方法,都被以倒序插入到原有方法列表的最前面,所以不同的 Category,添加了同一个方法,执行的实际上是最后一个。

Category 在刚刚编译完的时候,和原来的类是分开的,只有在程序运行起来后,通过 Runtime,Category 和原来的类才会合并到一起。

isa 指针的理解,对象的 isa 指针指向哪里? isa 指针有哪两种类型?

isa 指针的理解

在 Objective-C 中,任何类的定义都是对象。类和类的实例(对象)没有任何本质上的区别。任何对象都有 isa 指针,指向对象的类。

  • 每一个对象本质上都是一个类的实例。其中类定义了成员变量和成员方法的列表。对象通过对象的isa指针指向类。
  • 每一个类本质上都是一个对象,类其实是元类(metaclass)的实例。元类定义了类方法的列表。类通过类的isa指针指向元类。
  • 所有的元类最终继承一个根元类,根元类isa指针指向本身,形成一个封闭的内循环。

isa 指针指向

  • 实例对象的 isa 指向类对象
  • 类对象的 isa 指向元类对象
  • 元类对象的 isa 指向元类的基类

isa 有两种类型

  • 纯指针,指向内存地址
  • NON_POINTER_ISA,除了内存地址,还存有一些其他信息

讲一下 OC 的消息机制

OC 中的方法调用其实都是转成了 objc_msgSend 函数的调用,给 receiver(方法调用者)发送了一条消息(selector方法名)

objc_msgSend 底层有3大阶段,消息发送(当前类、父类中查找)、动态方法解析、消息转发

OC 方法调用流程是怎样的?

OC 是运行时语言,方法调用的本质,就是让对象发送消息:

id objc_msgSend ( id self, SEL op, ... );

具体的流程如下:

  1. 通过 isa 指针找到所属类
  2. 查找类的 cache 列表,如果没有则下一步
  3. 查找类的是“方法列表”
  4. 如果能找到与选择子名称相符的方法,就跳至其实现代码
  5. 找不到,就沿着继承体系继续向上查找
  6. 如果能找到与选择子名称相符的方法,就跳至其实现代码
  7. 找不到,执行“消息转发”。

消息转发机制的理解和应用?

如果收到无法解读的消息,会尝试做消息转发,即以下三种补救措施:

1. 动态方法解析

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel;
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel;

2. 备用接收者

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;

3. 完整的消息转发

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation;

如何让多个方法指向同一个实现?

在分类中重写了原类中的方法,实际调用情况是怎样的?

只调用分类中的实现而不调用原类中的实现。

因为 Category 的底层实现是在加载的时候,把 Category 中的方法添加到原类的方法列表中,当调用方法时会遍历方法列表找到对应的响应子就返回,不再向下遍历。因为 Category 的优先级高于类的优先级,使得原类中的选择子遍历不到。

成员变量的本质是什么?

成员变量的定义

Ivar: 实例变量类型,是一个指向objc_ivar结构体的指针

typedef struct objc_ivar *Ivar;

操作函数:

// 获取所有成员变量
class_copyIvarList

// 获取成员变量名
ivar_getName

// 获取成员变量类型编码
ivar_getTypeEncoding

// 获取指定名称的成员变量
class_getInstanceVariable

// 获取某个对象成员变量的值
object_getIvar

// 设置某个对象成员变量的值
object_setIvar

获取成员变量的方法:

unsigned int count = 0;
Ivar * ivars = class_copyIvarList([Model class], &count);
for (unsigned int i = 0; i < count; i ++) {
Ivar ivar = ivars[i];
const char * name = ivar_getName(ivar);
const char * type = ivar_getTypeEncoding(ivar);
NSLog(@"类型为 %s 的 %s ",type, name);
}
free(ivars);

属性的定义

objc_property_t:声明的属性的类型,是一个指向objc_property结构体的指针

typedef struct objc_property *objc_property_t;

操作函数:

// 获取所有属性,不会获取无@property声明的成员变量
class_copyPropertyList

// 获取属性名
property_getName

// 获取属性特性描述字符串
property_getAttributes

// 获取所有属性特性
property_copyAttributeList

参考资料:https://www.jianshu.com/p/d361f169423b

load 和 initialize 的区别?

相同点

  • 两者都会自动调用父类的,不需要 super 操作,且仅会调用一次(不包括外部显示调用)。

  • load 和 initialize 方法内部使用了锁,因此它们是线程安全的。实现时要尽可能保持简单,避免阻塞线程,不要再使用锁。

不同点

  • load 和 initialize 方法都会在实例化对象之前调用,以 main 函数为分水岭,前者在 main 函数之前调用,后者在之后调用。这两个方法会被自动调用,不能手动调用它们。

  • load 和 initialize 方法都不用显示的调用父类的方法而是自动调用,即使子类没有 initialize 方法也会调用父类的方法,而 load 方法则不会调用父类。

  • load 方法通常用来进行 Method Swizzle,initialize 方法一般用于初始化全局变量或静态变量。

怎么理解 OC 是运行时语言?

主要是将数据类型的确定由编译时,推迟到了运行时。这个问题其实浅涉及到两个概念:运行时和多态。

简单来说,运行时机制使我们直到运行时才去决定一个对象的类别,以及调用该类别对象指定方法。

多态:不同对象以自己的方式响应相同的消息的能力叫做多态。

向一个 nil 对象发送消息将会发生什么?

在 Objective-C 中向 nil 发送消息是完全有效的,只是在运行时不会有任何作用。

具体原因如下:

  • 向一个对象发送消息时,runtime 库会根据对象的 isa 指针找到该对象实际所属的类,然后在该类中的方法列表以及其父类方法列表中寻找方法运行,然后在发送消息的时候,objc_msgSend 方法不会返回值,所谓的返回内容都是具体调用时执行的。

  • 如果向一个 nil 对象发送消息,首先在寻找对象的 isa 指针时就是0地址返回了,所以不会出现任何错误。

runtime 如何通过 selector 找到对应的 IMP 地址?

每一个类对象中都一个方法列表,方法列表中记录着方法的名称,方法实现,以及参数类型,其实 selector 本质就是方法名称,通过这个方法名称就可以在方法列表中找到对应的方法实现。

能否向编译后得到的类中添加实例变量?能否向运行时创建的类中添加实例变量?

  • 不能向编译后得到的类中添加实例变量;
  • 能向运行时创建的类中添加实例变量;

解释下:

  • 因为编译后的类已经注册在 runtime 中,类结构体中的 objc_ivar_list 实例变量的链表和 instance_size 实例变量的内存大小已经确定,同时 runtime 会调用 class_setIvarLayoutclass_setWeakIvarLayout 来处理 strong weak 引用。所以不能向存在的类中添加实例变量;
  • 运行时创建的类可以添加实例变量,调用 class_addIvar 函数。但是得在调用 objc_allocateClassPair 之后,objc_registerClassPair 之前,原因同上。

应用能力

主要有以下几种:关联对象,给分类增加属性、动态添加方法、交换方法、拦截系统方法的调用、自动归档解档、字典转模型、万能控制器跳转、KVO 的底层实现。

关联对象,给分类增加属性

// 关联对象
void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
// 获取关联的对象
id objc_getAssociatedObject(id object, const void *key)
// 移除关联的对象
void objc_removeAssociatedObjects(id object)

例如给一个名为 Person 的类的分类添加一个 books 属性:

static const void *KEY_BOOKS = &KEY_BOOKS;

@implementation Person (Books)
- (void)setBooks:(NSArray *)books{
objc_setAssociatedObject(self, KEY_BOOKS, books, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}
- (NSArray *)books{
return objc_getAssociatedObject(self, KEY_BOOKS);
}
@end

动态添加方法

BOOL class_addMethod(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull name, IMP _Nonnull imp, const char * _Nullable types);

通过 performSelector 调用某个方法,如果在运行时找不到 Selector 对应的实现,会执行消息转发,在 resolveInstanceMethodresolveClassMethod 中将函数与对象的 Selector 关联起来。

void eat(id self, SEL sel) {
NSLog(@"%@ %@",self, NSStringFromSelector(sel));
}

@implementation Person

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
if (sel == @selector(eat)) {
class_addMethod(self, @selector(eat), eat, "[email protected]:");
}
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

@end

交换方法、拦截系统方法的调用

每个类都维护一个方法列表,Method 则包含 SEL 和其对应 IMP 的信息,方法交换做的事情就是把 SEL 和 IMP 的对应关系断开,并和新的 IMP 生成对应关系。

+ (void)exchangeClassMethodImplementations:(Class)cls selector1:(SEL)selector1 selector2:(SEL)selector2{
Method m1 = class_getClassMethod(cls, selector1);
Method m2 = class_getClassMethod(cls, selector2);
method_exchangeImplementations(m1, m2);
}

+ (void)exchangeInstanceMethodImplementations:(Class)cls selector1:(SEL)selector1 selector2:(SEL)selector2{
Method m1 = class_getInstanceMethod(cls, selector1);
Method m2 = class_getInstanceMethod(cls, selector2);
method_exchangeImplementations(m1, m2);
}

自动归档解档

遍历 Model 自身所有属性,并对属性进行 encode 和 decode 操作。

- (id)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder {
if (self = [super init]) {
unsigned int outCount;
Ivar * ivars = class_copyIvarList([self class], &outCount);
for (int i = 0; i < outCount; i ++) {
Ivar ivar = ivars[i];
NSString * key = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
[self setValue:[aDecoder decodeObjectForKey:key] forKey:key];
}
}
return self;
}

- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder {
unsigned int outCount;
Ivar * ivars = class_copyIvarList([self class], &outCount);
for (int i = 0; i < outCount; i ++) {
Ivar ivar = ivars[i];
NSString * key = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
[aCoder encodeObject:[self valueForKey:key] forKey:key];
}
}

访问私有变量

通过 getIvar 可以获取到任意已知 name 的成员变量的值。

Ivar ivar = class_getInstanceVariable([Model class], "_str1");
NSString * str1 = object_getIvar(model, ivar);

字典转模型的 KVC 实现

遍历 Model 自身所有属性,从 json 中找到与属性对应的值,通过 KVC 将其赋值。

// Ivar:成员变量 以下划线开头
// Property:属性
+ (instancetype)modelWithDict:(NSDictionary *)dict {
id objc = [[self alloc] init];
unsigned int count = 0;
// 获取成员变量数组
Ivar *ivarList = class_copyIvarList(self, &count);

// 遍历所有成员变量
for (int i = 0; i < count; i++) {
// 获取成员变量
Ivar ivar = ivarList[i];
// 获取成员变量名字
NSString *ivarName = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
// 获取成员变量类型
NSString *ivarType = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getTypeEncoding(ivar)];
// @\"User\" -> User
ivarType = [ivarType stringByReplacingOccurrencesOfString:@"\"" withString:@""];
ivarType = [ivarType stringByReplacingOccurrencesOfString:@"@" withString:@""];
// 获取key
NSString *key = [ivarName substringFromIndex:1];

// 去字典中查找对应value
// key:user value:NSDictionary
id value = dict[key];

// 二级转换:判断下value是否是字典,如果是,字典转换层对应的模型
// 并且是自定义对象才需要转换
if ([value isKindOfClass:[NSDictionary class]] && ![ivarType hasPrefix:@"NS"]) {
// 字典转换成模型 userDict => User模型
Class modelClass = NSClassFromString(ivarType);
value = [modelClass modelWithDict:value];
}

// 给模型中属性赋值
if (value) {
[objc setValue:value forKey:key];
}
}

return objc;
}

实现万能控制器跳转

利用 runtime 动态生成对象、属性、方法这特性,我们可以先跟服务端商量好,定义跳转规则,比如要跳转到 A 控制器,需要传属性 id、type,那么服务端返回字典给我,里面有控制器名,两个属性名跟属性值,客户端就可以根据控制器名生成对象,再用 kvc 给对象赋值。

参考资料:http://www.cocoachina.com/articles/13104

KVO 的底层实现

KVO 是基于 runtime 机制实现的,当某个类的对象第一次被观察时,系统就会在运行期动态地创建该类的一个派生类,在这个派生类中重写基类中任何被观察属性的 setter 方法。

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