李晓的博客

iOS开发 —— Runtime

2016/07/20 iOS开发

Runtime

因为Objc是一门动态语言，所以它总是想办法把一些决定工作从编译连接推迟到运行时。也就是说只有编译器是不够的，还需要一个运行时系统 (runtime system) 来执行编译后的代码。这就是 Objective-C Runtime 系统存在的意义，它是整个Objc运行框架的一块基石。

Runtime基本是用C和汇编写的，可见苹果为了动态系统的高效而作出的努力。你可以在这里下到苹果维护的开源代码。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的保持一致。

消息传递

在很多语言中，比如C，调用一个方法其实就是跳到内存中的某一点并开始执行一段代码。没有任何动态的特性，因为这在编译时就决定好了。而在Objective-C中，类似 [Receiver message] 这种语法并不会立即执行 message 这个方法的代码。 它是在运行时给 Receiver 发送一条叫 message 的消息。 这个消息，也许会被 Receiver 来处理，也许会被转发给另一个对象，或者没有对象处理最终被报错导致程序崩溃。

事实上，在编译时，我们所编写的 Objective-C 函数都会被翻译成一个C语言的函数调用。 ` - objc_msgSend(id self, SEL op, …)`。

比如我们创建一个类 名字叫 Family 创建一个数组来存储我们生成的 Family 对象。

 Family *family = [[Family alloc] init];

 NSMutableArray *array = [NSMutableArray array];

接下去的两行代码是等价的

[array insertObject:family atIndex:0];
    
objc_msgSend(array, @selector(insertObject:atIndex:), family, 0);

在调用 objc_msgSend 这个方法时，我们先要包含 #import <objc/message.h> 这个头文件。 而且在编写 objc_msgSend 这个函数时，先去 TARGETS - Build settings - Apple LLVM 7.0 - Preprocessing - Enable Strict Checking of objc_msgSend Calls 设置为NO。

从这里我们就能得到一个结论 objc_msgSend 能确定消息名以及参数数目。

消息传递的关键藏于 objc_object 中的 isa 指针和 objc_class 中的 class dispatch table 。

消息传递的过程

在 Objective-C 中，类、对象和方法都是一个 C 的结构体，从 objc/objc.h 头文件中，我们可以找到他们的定义。

具体的定义分析可以在我的另一篇 解释 Runtime 中各种方法、属性的定义中去学习。

从这些定义中可以看出发送一条消息也就 objc_msgSend 做了什么事。举 objc_msgSend(array, @selector(insertObject:atIndex:), family, 0); 这个例子来说：

  1. 首先，通过array的isa指针找到它的class；（从之前的代码 得知是 NSMutableArray 类）

  2. 在 class 的 method list 中找 insertObject:atIndex: ；

  3. 如果 class 中 没有找到 insertObject:atIndex: 这个方法, 继续前往它的 SuperClass 中去找。

  4. 一旦找到 insertObject:atIndex: 这个函数，就去执行它的实现IMP。

但这种实现有个问题，效率低。但一个 class 往往只有 20% 的函数会被经常调用，可能占总调用次数的 80% 。每个消息都需要遍历一次 objc_method_list 并不合理。如果把经常被调用的函数缓存下来，那可以大大提高函数查询的效率。这也就是 objc_class 中另一个重要成员 objc_cache 做的事情 - 再找到 insertObject:atIndex: 之后，把 insertObject:atIndex: 的 method_name 作为 key ，method_imp 作为 value 给存起来。当再次收到 insertObject:atIndex: 消息的时候，可以直接在 cache 里找到，避免去遍历 objc_method_list。

方法的动态解析和转发

如果在 Family 类中，我运行了类中没有存在的 - familyName: 这个方法时。 会出现怎样的结果， 相信接下来的语句 每一个做过开发人员都应该见过 unrecognized selector sent to instance 0x7ffee1e90f00 。

但是在这个异常抛出之前，我们的 Objective-C 尝试过用三种方法来拯救我们的程序。

  1. Method resolution
  2. Fast forwarding
  3. Normal forwarding

Method Resolution

首先，Runtime 会调用 + (BOOL)resolveInstanceMethod: 这个方法，让你有机会提供一个函数实现。如果你添加了函数并返回YES，那么 Runtime 系统就会重新启动一次消息发送的过程。

以刚才我想实现的 - familyName: 这个方法为例。

我在 Family 类中这样重写了 + (BOOL)resolveInstanceMethod: 方法:


/**
 *  里边有三个类型别名,在这儿先解释一下
 
      SEL selector的简写,俗称方法选择器,实质存储的是方法的名称
      IMP implement的简写,俗称方法实现,看源码得知它就是一个函数指针
      Method 对上述两者的一个包装结构.
 *
 */
 
void lostInstanceMethod(){
    NSLog(@"this InstanceMethod was lost");
}


+ (BOOL) resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
    if (sel == @selector(familyName:)) {
        class_addMethod([self class], sel, (IMP)lostInstanceMethod, nil);
        return YES;
    }
    return [super resolveClassMethod:sel];
}

在当我执行了 objc_msgSend(family, @selector(familyName:), nil); 这句语句时，程序不出意外的打印出了 lostInstanceMethod() 函数中的那句话。

 /**
     *  这里当我们运行了类中没有存在的 familyName 这个方法时.
     *  Objective_C 运行时 会调用 + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
     */
    
    /**
     *  但是当我注销掉 + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel 这个方法后
     *  编译通过之后程序崩溃 并不会进入 + (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel 这个方法
     */
    
  objc_msgSend(family, @selector(familyName:), nil);

Fast forwarding

如果resolve方法返回了NO， 运行时就会移到下一步， 消息转发 （Message Forwarding）。

如果目标对象实现了 - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector ， Runtime 这时就会调用这个方法，给你把这个消息转发给其他对象的机会。

如果这是我运行这样一行代码:

 objc_msgSend(family, @selector(familyHouse:), nil);

我的 Family 类中并没有实现 - familyHouse: 这个方法，所以如果运行下去肯定会抛出异常代码 。

但是我新建了一个 FamilyHouse 类， 我在 FamilyHouse 这个类中实现了 -familyHouse: 。

#import "FamilyHouse.h"

@implementation FamilyHouse

- (void)familyHouse:(NSString *)house{
      NSLog(@"this is my house");
}
@end

并且 我回到 Family 类中，重写 - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector 方法 。

首先定义一个 House 的对象，并将它初始化，之后重写方法。

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
    if (aSelector == @selector(familyHouse:)) {
        return _house;
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

这时当 Runtime在当前类找不到 - familyHose: 这个方法时，就会调用 - forwardingTargetForSelector: 这个方法，将消息分发到属于 FamilyHouse 类的对象 house 去执行这个方法。

只要这个方法返回的不是 nil 和 self，整个消息发送的过程就会被重启，当然发送的对象会变成你返回的那个对象。否则，就会继续 Normal Fowarding 。

这里叫 Fast ，只是为了区别下一步的转发机制。因为这一步不会创建任何新的对象，但下一步转发会创建一个 NSInvocation 对象，所以相对更快点。

Normal forwarding

这一步是 Runtime最后一次给你机会挽救程序。 首先它会发送 - (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector 这个消息来获取你转发消息的对象的函数参数和方法名。

如果 - (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector 这个方法返回 nil ，Runtime 则会抛出 - (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector 这个消息，当然，你的程序也就华丽丽的挂掉了。

如果是 - (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector 返回了一个函数签名， Runtime 就会创建一个 NSInvocation 对象，并执行 - (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation 这个方法，转发消息给目标对象。

接着上面的 Fast forwarding 部分叙述，假如我在第二步，并没有重写 - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector 这个方法我该怎么在最后一步完成拯救。

首先是完成函数签名这个方法,注意这里的 _house 对象，是我已经初始化好的 FamilyHouse 类的对象。

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
    NSMethodSignature* signature = [super methodSignatureForSelector:aSelector];
    
    if (!signature){
        signature = [_house methodSignatureForSelector:aSelector];
    }
        return signature;
}

这步完成后，就会返回给程序一个函数签名，Runtime 就会创建一个 NSInvocation 对象并发送 -forwardInvocation: 消息给目标对象。

NSInvocation 实际上就是对一个消息的描述 ，包括方法名以及参数等信息。所以我们可以在 - (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation 里修改传进来的 NSINvocation 对象， 然后发送 -invokeWithTarget: 的消息给他，传进去一个新的对象

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
    SEL sel = anInvocation.selector;
    
    if ([_house respondsToSelector:sel]) {
        [anInvocation invokeWithTarget:_house];
    }else {
        [self doesNotRecognizeSelector:sel];
    }
}

这个代码的运行结果 就跟之前一样了。

总结

Objective-C 中给一个对象发送消息会经过以下几个步骤：

  1. 在对象类的 dispatch table 中尝试找到该消息。如果找到了，跳到相应的函数IMP去执行实现代码；

  2. 如果没有找到，Runtime 会执行 + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel 方法，尝试着去 resolve这个方法。

  3. 如果 resolve 方法返回 NO，Runtime 就发送 -forwardingTargetForSelector: 允许你把这个消息转发给另一个对象；

  4. 如果没有新的目标对象返回， Runtime 就会发送 -methodSignatureForSelector: 和 -forwardInvocation: 消息。你可以发送 -invokeWithTarget: 消息来手动转发消息或者发送 -doesNotRecognizeSelector: 抛出异常。

利用 Objective-C 的 Runtime 特性，我们可以自己来对语言进行扩展，解决项目开发中的一些设计和技术问题。

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