Runtime简介

Runtime 又叫运行时，是一套底层的 C 语言 API，是 iOS 系统的核心之一。开发者在编码过程中，可以给任意一个对象发送消息，在编译阶段只是确定了要向接收者发送这条消息，而接受者将要如何响应和处理这条消息，那就要看运行时来决定了。

OC语言在编译期都会被编译为C语言的Runtime代码，二进制执行过程中执行的都是C语言代码。而OC的类本质上都是结构体，在编译时都会以结构体的形式被编译到二进制中。Runtime是一套由C、C++、汇编实现的API，所有的方法调用都叫做发送消息。

C语言中，在编译期，函数的调用就会决定调用哪个函数。
而OC的函数，属于动态调用过程，在编译期并不能决定真正调用哪个函数，只有在真正运行时才会根据函数的名称找到对应的函数来调用。

Objective-C 是一个动态语言，这意味着它不仅需要一个编译器，也需要一个运行时系统来动态得创建类和对象、进行消息传递和转发。

Runtime使用

Runtime是一个共享动态库，其目录位于/usr/include/objc，由一系列的C函数和结构体构成。和Runtime系统发生交互的方式有三种，一般都是用前两种：

  1. 使用OC源码
    直接使用上层OC源码，底层会通过Runtime为其提供运行支持，上层不需要关心Runtime运行。
  2. NSObject
    在OC代码中绝大多数的类都是继承自NSObject的，NSProxy类例外。Runtime在NSObject中定义了一些基础操作，NSObject的子类也具备这些特性。
  3. Runtime动态库
    上层的OC源码都是通过Runtime实现的，我们一般不直接使用Runtime，直接和OC代码打交道就可以。

使用Runtime需要引入下面两个头文件，一些基础方法都定义在这两个文件中。

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

关于库函数可以在Objective-C Runtime Reference中查看 Runtime 函数的详细文档。

关于这一点，其实还有一个小插曲。当我们导入了objc/Runtime.h和objc/message.h两个头文件之后，我们查找到了Runtime的函数之后，代码打完，发现没有代码提示了，那些函数里面的参数和描述都没有了。对于熟悉Runtime的开发者来说，这并没有什么难的，因为参数早已铭记于胸。但是对于新手来说，这是相当不友好的。而且，如果是从iOS6开始开发的同学，依稀可能能感受到，关于Runtime的具体实现的官方文档越来越少了？可能还怀疑是不是错觉。其实从Xcode5开始，苹果就不建议我们手动调用Runtime的API，也同样希望我们不要知道具体底层实现。所以IDE上面默认代了一个参数，禁止了Runtime的代码提示，源码和文档方面也删除了一些解释。

如果发现导入了两个库文件之后，仍然没有代码提示，就需要把这里的设置改成NO，即可。

NSObject介绍

在OC的世界中，除了NSProxy类以外，所有的类都是NSObject的子类。在Foundation框架下，NSObject和NSProxy两个基类，定义了类层次结构中该类下方所有类的公共接口和行为。NSProxy是专门用于实现代理对象的类，这个类暂时本篇文章不提。这两个类都遵循了NSObject协议。在NSObject协议中，声明了所有OC对象的公共方法。

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@protocol NSObject

- (BOOL)isEqual:(id)object;
@property (readonly) NSUInteger hash;

@property (readonly) Class superclass;
- (Class)class OBJC_SWIFT_UNAVAILABLE("use 'type(of: anObject)' instead");
- (instancetype)self;

- (id)performSelector:(SEL)aSelector;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)object1 withObject:(id)object2;

- (BOOL)isProxy;

- (BOOL)isKindOfClass:(Class)aClass;
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)aClass;
- (BOOL)conformsToProtocol:(Protocol *)aProtocol;

- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector;

- (instancetype)retain OBJC_ARC_UNAVAILABLE;
- (oneway void)release OBJC_ARC_UNAVAILABLE;
- (instancetype)autorelease OBJC_ARC_UNAVAILABLE;
- (NSUInteger)retainCount OBJC_ARC_UNAVAILABLE;

- (struct _NSZone *)zone OBJC_ARC_UNAVAILABLE;

@property (readonly, copy) NSString *description;
@optional
@property (readonly, copy) NSString *debugDescription;

@end

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}

objc_class的源码如下：

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#if !OBJC_TYPES_DEFINED
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

在这里可以看到，在一个类中，有超类的指针，类名，版本的信息。
ivars是objc_ivar_list成员变量列表的指针；methodLists是指向objc_method_list指针的指针。*methodLists是指向方法列表的指针。这里如果动态修改*methodLists的值来添加成员方法，这也是Category实现的原理，同样解释了Category不能添加属性的原因。

在NSObject的类中还定义了一个方法

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+ (IMP)instanceMethodForSelector:(SEL)aSelector;

IMP则引出了另一个概念，这个后面会介绍，我们继续说NSObject。

对象模型

图中实线是 super_class指针，虚线是isa指针。

  1. Root class (class)其实就是NSObject，NSObject是没有超类的，所以Root class(class)的superclass指向nil。
  2. 每个Class都有一个isa指针指向唯一的Meta class
  3. Root class(meta)的superclass指向Root class(class)，也就是NSObject，形成一个回路。
  4. 每个Meta class的isa指针都指向Root class (meta)。

我们其实应该明白，类对象和元类对象是唯一的，对象是可以在运行时创建无数个的。而在main方法执行之前，从 dyld到runtime这期间，类对象和元类对象在这期间被创建。

具体的实现需要看源代码，这里我就不讨论源代码的内容了。

相关概念

上面介绍了NSObject，下面介绍一下其他的相关概念。

IMP

在Runtime中IMP本质上就是一个函数指针，其定义如下。在IMP中有两个默认的参数id和SEL，id也就是方法中的self，这和objc_msgSend()函数传递的参数一样。

Runtime中提供了很多对于IMP操作的API，下面就是不分IMP相关的函数定义。我们比较常见的是method_exchangeImplementations函数，Method Swizzling就是通过这个API实现的。

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/// A pointer to the function of a method implementation. 
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...); 
#endif

OBJC_EXPORT void
method_exchangeImplementations(Method _Nonnull m1, Method _Nonnull m2) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nonnull
method_setImplementation(Method _Nonnull m, IMP _Nonnull imp) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nonnull
method_getImplementation(Method _Nonnull m) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nullable
class_getMethodImplementation(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull name) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
// ....

Method

Method用来表示方法，其包含SEL和IMP，下面可以看一下Method结构体的定义。

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typedef struct method_t *Method;

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
};

在Xcode进行编译的时候，只会将Xcode的Compile Sources中.m声明的方法编译到Method List，而.h文件中声明的方法对Method List没有影响。

Property

在Runtime中定义了属性的结构体，用来表示对象中定义的属性。@property修饰符用来修饰属性，修饰后的属性为objc_property_t类型，其本质是property_t结构体。其结构体定义如下。

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typedef struct property_t *objc_property_t;

struct property_t {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

可以通过下面两个函数，分别获取实例对象的属性列表，和协议的属性列表。

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objc_property_t * class_copyPropertyList（Class cls，unsigned int * outCount）
objc_property_t * protocol_copyPropertyList（Protocol * proto，unsigned int * outCount）

可以通过下面两个方法，传入指定的Class和propertyName，获取对应的objc_property_t属性结构体。

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objc_property_t class_getProperty（Class cls，const char * name）
objc_property_t protocol_getProperty（Protocol * proto，const char * name，BOOL isRequiredProperty，BOOL isInstanceProperty）

未完待续

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