iOS開發發展至今，也有10個年頭了，面試要求也越來越高。現在的iOS面試管你是1年還是3年或者5年，都是問各種runtime底層，objc源碼，各類框架源碼，架構設計。有句話說的好，面試造航母,入職擰螺絲。 好了，開始我們今天的主題，runtime基礎學習。
1.對象
在OC語言中，所有對象都是C結構體。
首先它有一個指針指向類定義，然後是以結構體屬性的形式出現的每個父類的 ivar(instance variable，實例變量)，接著是對象所屬的類的 ivar。
這個結構體叫做 objc_object，指向它的指針叫 id,定義如下:
typedef struct objc_object {
Class isa;
} *id;
每個 Objective-C 對象都有相同的結構，如圖:
2. 類
類和對象的定義：
typedef struct objc_class *Class; typedef struct objc_object *id;
Objective-C類是由Class類型來表示的，它實際上是一個指向objc_class結構體的指針。並且繼承了 struct objc_object 。
Class結構體包含一個元類指針(很快就會詳細解釋)、一個父類指針和關於此類的數據。特別要注意的數據有類名、ivar、方法、屬性和協議。它的定義如下:
typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY; ///< 指向metaClass(元類)
#if !__OBJC2__
Class super_class OBJC2_UNAVAILABLE; ///< 父類
const char *name OBJC2_UNAVAILABLE; ///< 類名
long version OBJC2_UNAVAILABLE; ///< 類的版本信息，默認為0
long info OBJC2_UNAVAILABLE; ///< 類信息，供運行期使用的一些位標識
long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE; ///< 該類的實例變量大小
struct objc_ivar_list *ivars OBJC2_UNAVAILABLE; ///< 該類的成員變量鏈表
struct objc_method_list **methodLists OBJC2_UNAVAILABLE; ///< 方法定義的鏈表
struct objc_cache *cache OBJC2_UNAVAILABLE; ///< 方法緩存
struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE; ///< 協議鏈表
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
這裡的isa指針指向的是另外一個類叫做元類（metaClass)。那什麼是元類呢？元類是類對象的類。也可以換一種容易理解的說法：
- 當你給對象發送消息時，runtime處理時是在這個對象的類的方法列表中尋找;
- 當你給類發消息時，runtime處理時是在這個類的元類的方法列表中尋找。
3 對象，類，元類
我們來看一個很經典的圖來加深理解：（isa：虛線箭頭， super class：實線箭頭）
可以總結為下：
- 每一個Instance(實例對象)都有一個isa指針指向它的類Class;
- 每一個Class都有一個isa指針指向它的Meta Class;
- 每一個Meta Class的isa指針都指向最上層的Meta Class，這個Meta Class是NSObject的Meta Class。(包括NSObject的Meta Class的isa指針也是指向的NSObject的Meta Class，也就是自己，這裡形成了個閉環)；
- 每一個Meta Class的super class指針指向它原本Class的 Super Class的Meta Class (這裡最上層的NSObject的Meta Class的super class指針還是指向NSObject自己)；
- 最上層的NSObject Class的super class指向 nil；
4 方法和屬性
Objective-C 運行時定義了幾種重要的類型：
Class 定義Objective-C類。
Ivar 定義對象的實例變量，包括類型和名字。
Protocol 定義正式協議。
objc_property_t 定義屬性。叫這個名字可能是為了防止和Objective-C1.0中的用戶類型衝突，那時候還沒有屬性。
Method 定義對象方法或類方法。這個類型提供了方法的名字(就是選擇器)、參數數量和類型，以及返回值(這些信息合起來稱為方法的簽名)，還有一個指向代碼的函數指針(也就
是方法的實現)。
SEL 定義選擇器。選擇器是方法名的唯一標識符。
IMP 定義方法實現。這只是一個指向某個函數的指針，該函數接受一個對象、一個選擇器和一個可變長參數列表(varargs)，返回一個對象:
typedef id (*IMP)(id, SEL, …);
運行時方法都以操作目標的名字開頭，一般那也是它們的第一個參數。例如：
void PrintObjectMethods() {
unsigned int count = 0;
Method *methods = class_copyMethodList([NSObject class],&count);
for (unsigned int i = 0; i < count; ++i) {
SEL sel = method_getName(methods[i]);
const char *name = sel_getName(sel);
printf("%s\n", name);
}
free(methods);
}
方法：類方法和實例方法的區別
類方法：
- 類方法是屬於類對象的， 類方法列表存儲在元類中。
- 類方法只能通過類對象調用
- 類方法中的self是類對象
- 類方法可以調用其他的類方法
- 類方法中不能訪問成員變量
- 類方法中不能直接調用對象方法
實例方法：
- 實例方法是屬於實例對象的，實例方法列表存儲在類中。
- 實例方法只能通過實例對象調用
- 實例方法中的self是實例對象
- 實例方法中可以訪問成員變量
- 實例方法中直接調用實例方法
- 實例方法中也可以調用類方法(通過類名)
屬性
1）@property：
@property有兩個對應的詞，一個是 @synthesize，一個是 @dynamic。如果 @synthesize和 @dynamic都沒寫，那麼默認的就是@syntheszie var = _var; @property的本質是:
@property = ivar(實例變量) + getter/setter（存取方法）;
2）@synthesize：
@synthesize表示如果屬性沒有手動實現setter和getter方法，編譯器會自動加上這兩個方法。
3）@dynamic：
@dynamic 告訴編譯器：屬性的 setter與getter方法由用戶自己實現，不自動生成。
注意:
- 如果使用@property定義了某個屬性XX，而沒有寫@synthesize和@dynamic，是無法同時重寫該屬性的seter和getter方法的。
- 協議(Protocol)和類別中定義的屬性都只是聲明getter/setter方法而已。因此需要在.m文件中實現對應的getter/setter方法, 具體如下：
- (void)setCellHeight:(NSNumber *)cellHeight {
[self willChangeValueForKey:@"cellHeight"];
objc_setAssociatedObject(self, _cmd, cellHeight, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
[self didChangeValueForKey:@"cellHeight"];
}
- (NSNumber *)cellHeight {
return objc_getAssociatedObject(self, @selector(setCellHeight:));
}
在ARC(即自動內存管理)模式下，如果定義屬性時不指定任何屬性關鍵字，則:
基本數據類型默認關鍵字是: atomic, readwrite, assign
普通的 Objective-C 對象：atomic, readwrite, strong
5. KVC & KVO
無論是Swift還是Objective-C，KVC的定義都是對NSObject的擴展來實現的(Objective-C中有個顯式的NSKeyValueCoding類別名，而Swift沒有，也不需要)。所以對於所有繼承了NSObject的類型，也就是幾乎所有的Objective-C對象都能使用KVC(一些純Swift類和結構體是不支持KVC的)，下面是KVC最為重要的四個方法:
//直接通過Key來取值 - (nullable id)valueForKey:(NSString *)key; //通過Key來設值 - (void)setValue:(nullable id)value forKey:(NSString *)key; //通過KeyPath來取值 - (nullable id)valueForKeyPath:(NSString *)keyPath; //通過KeyPath來設值 - (void)setValue:(nullable id)value forKeyPath:(NSString *)keyPath;
設置
當調用setValue：屬性值 forKey：@”name“的代碼時，底層的執行機制如下：
1）程序優先調用setName方法，代碼通過setter方法完成設置。注意，這裡的是指成員變量名，首字母大小寫要符合KVC的命名規則，下同。
2）如果沒有找到setName:方法，KVC機制會檢查+ (BOOL)accessInstanceVariablesDirectly方法有沒有返回YES，默認該方法會返回YES，如果你重寫了該方法讓其返回NO的話，那麼在這一步KVC會執行setValue：forUndefinedKey：方法，拋出異常，不過一般開發者不會這麼做。
3）KVC機制繼續搜索該類裡面有沒有名為_的成員變量，無論該變量是在類接口處定義，還是在類實現處定義，也無論用了什麼樣的訪問修飾符，只要存在以_命名的變量，KVC都可以對該成員變量賦值。
4）如果該類即沒有set：方法，也沒有_成員變量，KVC會繼續搜索_is的成員變量，再給它們賦值。
5）和上面一樣，如果該類即沒有set：方法，也沒有和is成員變量，KVC機制再會繼續搜索和is的成員變量。再給它們賦值。 如果上面列出的方法或者成員變量都不存在，系統將會執行該對象的setValue：forUndefinedKey：方法，默認是拋出異常。
如果開發者想讓這個類禁用KVC裡，那麼重寫+ (BOOL)accessInstanceVariablesDirectly方法讓其返回NO即可，這樣的話如果KVC沒有找到set:屬性名時，會直接用setValue：forUndefinedKey：方法。
總結如下,以Name為例:
setName方法---> 檢查+ (BOOL)accessInstanceVariablesDirectly方法 返回值 ---> _Name成員變量 ---> _isName成員變量 ---> Name成員變量 ---> isName成員變量 ---> setValue：forUndefinedKey 拋出異常。
取值
當調用valueForKey：@”name“的代碼時，KVC對key的搜索方式不同於setValue：屬性值 forKey：@”name“，其搜索方式如下：
1）查找Getter方法：
首先按get, , is的順序查找getter方法，找到的話會直接調用。如果是BOOL或者Int等值類型， 會將其包裝成一個NSNumber對象。
2）數組處理：
如果上面的getter沒有找到，KVC則會查找countOf, objectInAtIndex或AtIndexes格式的方法。 如果countOf方法和另外兩個方法中的一個被找到，那麼就會返回一個可以響應NSArray所有方法的代理集合(它是NSKeyValueArray，是NSArray的子類)，調用這個代理集合的方法，或者說給這個代理集合發送屬於NSArray的方法，就會以countOf,objectInAtIndex或AtIndexes這幾個方法組合的形式調用。還有一個可選的get:range:方法。所以你想重新定義KVC的一些功能，你可以添加這些方法，需要注意的是你的方法名要符合KVC的標準命名方法，包括方法簽名。
3）集合處理：
如果上面的方法沒有找到，那麼會同時查找countOf，enumeratorOf,memberOf格式的方法。如果這三個方法都找到，那麼就返回一個可以響應NSSet所的方法的代理集合，和上面一樣，給這個代理集合發NSSet的消息，就會以countOf，enumeratorOf,memberOf組合的形式調用。
4）檢查accessInstanceVariablesDirectly方法並查找成員變量: 如果還沒有找到，再檢查類方法+ (BOOL)accessInstanceVariablesDirectly,如果返回YES(默認行為)，那麼和先前的設值一樣，會按_, _is,,is的順序搜索成員變量名，這裡不推薦這麼做，因為這樣直接訪問實例變量破壞了封裝性，使代碼更脆弱。如果重寫了類方法+ (BOOL)accessInstanceVariablesDirectly返回NO的話，那麼會直接調用valueForUndefinedKey:
5）還沒有找到的話，調用valueForUndefinedKey: 拋出異常。
valueForKey：和 setValue:forKey的特殊處理，在下面兩個方法中，我們可以對於不存在key做一些處理。
- (id)valueForUndefinedKey:(NSString *)key {
id value = nil;
if ([key isEqualToString:@"age"]) {
value = @(10);
} else {
value = [super valueForUndefinedKey:key];
}
return value;
}
- (void)setValue:(id)value forUndefinedKey:(nonnull NSString *)key {
if ([key isEqualToString:@"age"]) {
NSLog(@"hehe, set age");
} else {
[super setValue:value forUndefinedKey:key];
}
}
6. 消息傳遞和消息轉發
動態綁定：動態綁定是指在執行期間（非編譯期）判斷所引用對象的實際類型，根據其實際的類型調用其相應的方法。程序運行過程中，把函數（或過程）調用與響應調用所需要的代碼相結合的過程稱為動態綁定。
在 Objective-C 中調用方法，稱之為消息傳遞。
消息傳遞是把選擇器(SEL)映射為函數指針，並調用被引用的函數,以及傳遞給它一 個對象指針、一個選擇器和一組函數參數。
Objective-C 運行時的核心就在於消息分派器：objc_msgSend
具體流程如下：
1) 檢查接受對象是否為nil，如果是，調用nil處理程序。默認的行為是什麼都不做。
2) 在垃圾收集環境中(iOS 不支持，這一塊是為了內容完整才給出的)，檢查有沒有短路選擇器 (retain、release、autorelease、retainCount)，如果有，返回 self。是的，這意味著在垃圾收集環境中 retainCount 會返回 self，不過你應該用不到。
3) 檢查類緩存中是不是已經有方法實現了，有的話，直接調用。
4) 比較請求的選擇器和類中定義的選擇器，如果找到了，調用方法實現。
5) 比較請求的選擇器和父類中定義的選擇器，然後是父類的父類，以此類推。如果找到選擇器， 調用方法實現。
//調用_objc_msgForward進入消息轉發流程：
6) 動態轉發：resolveInstanceMethod:(或resolveClassMethod:)
在這裡我們可以調用class_addMethod為該Class動態添加實現。
如果它返回YES，那麼重新開始。這一次對象會響應這個選擇器，一般是因為它已經調用過 class_addMethod。 例如：
//Car.h
@interface Car : NSObject
- (void)runTo:(NSString *)place;
@end
//Car.m
@implementation Car
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
if (sel == @selector(runTo:)) {
class_addMethod(self, sel, (IMP)dynamicMethodIMPRunTo, "v@:@");
return YES;
}
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
//動態添加的@selector(runTo:) 對應的實現
static void dynamicMethodIMPRunTo(id self, SEL _cmd,id place){
NSLog(@"dynamicMethodIMPRunTo %@",place);
}
@end
7) 快速轉發：forwardingTargetForSelector:
嘗試找到一個能響應該消息的對象。如果獲取到，則直接轉發給它。如果返回了nil，繼續下面的動作。這裡不要返回 self，否則會形成死循環。
//Person.h
@interface Person : NSObject
- (void)runTo:(NSString *)place;
@end
//Person.m
@implementation Person
- (void)runTo:(NSString *)place;{
NSLog(@"person runTo %@",place);
}
@end
//Car.h
@interface Car : NSObject
- (void)runTo:(NSString *)place;
@end
//Car.m
@implementation Car
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
//將消息轉發給Person的實例
if (aSelector == @selector(runTo:)) {
return [[Person alloc]init];
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
@end
8) 普通轉發(比前面講到的機制要慢上幾十到幾百倍)：forwardInvocation: + methodSignatureForSelector:
調用methodSignatureForSelector:方法，嘗試獲得一個方法簽名。如果返回非 nil，創建一個 NSInvocation 並傳給forwardInvocation:。如果返回nil，則直接調用doesNotRecognizeSelector拋出異常；
調用forwardInvocation:方法，將methodSignatureForSelector方法獲取到的方法簽名包裝成Invocation傳入，如何處理就在這裡面了。
@implementation Car
- (NSMethodSignature*)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
//判斷selector是否為需要轉發的，如果是則手動創建生成方法簽名並返回。
if (aSelector == @selector(runTo:)){
return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:@"];
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
{
//判斷是否為需要轉發的SEL
if ([someOtherObject respondsToSelector:[anInvocation selector]]) {
[anInvocation invokeWithTarget:someOtherObject];
} else {
[super forwardInvocation:anInvocation];
}
}
@end
9) 調用 doesNotRecognizeSelector:，默認的實現是拋出異常。
消息轉發流程如下圖：
注意：
1.我們可以使用methodForSelector手動獲得IMP來直接調用。
用 methodForSelector 獲取IMP時，會嘗試forward機制， 所以在沒有對應方法時，返回的是 _objc_msgForward ，不會返回NULL。
2.使用respondsToSelector 判斷對象是否能響應消息時, 會避開forward機制 ，但是該方法會嘗試一次resolveInstanceMethod。
3.如果某個方法已實現，需要強制進行消息轉發（即手動觸發) 實現方法如下：
利用 method swizzling 將selector的實現改變為_objc_msgForward或者_objc_msgForward_stret，在調selector時就會進行消息轉發。如果轉發的消息的返回值是struct類型，就使用_objc_msgForward_stret，否則使用_objc_msgForward。代碼如下：
@interface Car : NSObject
- (void)printAA;
- (void)printAAAA;
@end
//對 runTo: 進行消息轉發
@implementation Car
- (void)printAA {
NSLog(@“hello AA”);
}
+ (void)load {
//強制轉發
[self forceMessageForward];
}
#pragma mark - 強制消息轉發
+ (void)forceMessageForward {
SEL selector = @selector(printAA);
Method targetMethod = class_getInstanceMethod(self.class, @selector(selector));
const char *typeEncoding = method_getTypeEncoding(targetMethod);
//利用 method swizzling 將selector的實現改變為_objc_msgForward或者_objc_msgForward_stret, 強制方法進行消息轉發。
//在調selector時就會進行消息轉發。如果轉發的消息的返回值是struct類型，就使用_objc_msgForward_stret，否則使用_objc_msgForward。
IMP targetMethodIMP = _objc_msgForward;
class_replaceMethod(self.class, selector, targetMethodIMP, typeEncoding);
}
- (NSMethodSignature*)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
NSMethodSignature *sig = nil;
//假設有方法簽名為"@@:@"
//第一個@表示返回值類型為id,
//第二個@表示的是函數的調用者類型,
//第三個:表示 SEL
//第四個@表示需要一個id類型的參數
//判斷selector是否為需要轉發的，如果是則手動創建生成方法簽名並返回。
if (aSelector == @selector(printAA)){
sig = [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
} else if (aSelector == @selector(printAAAA)){
sig = [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
} else {
sig = [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
return sig;
}
//消息轉發，調用這個方法。anInvocation中保存著調用方法時傳遞的參數信息。
//對於未實現的方法要走forwardInvocation消息轉發的話，必須重寫methodSignatureForSelector，並返回對應的方法簽名。
//對於這種通過替換IMP為_objc_msgForward強制消息轉發的SEL，如果沒有其他未實現的方法的話，可不寫methodSignatureForSelector。
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
if (anInvocation.selector == @selector(printAA)){
NSLog(@"AA打印");
} else if (anInvocation.selector == @selector(printAAAA)) {
NSLog(@"AAAA打印");
} else {
[super forwardInvocation:anInvocation];
}
}
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