Objective-C Runtime &＃xff08;一&＃xff09;&＃xff1a;类与对象
Runtime介绍

Objective-C语言是一门动态语言&＃xff0c;它将很多静态语言在编译和链接时期做的事放到了运行时来处理。这意味着它不仅需要一个编译器&＃xff0c;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。这个运行时系统即Objc Runtime。Objc Runtime其实是一个Runtime库&＃xff0c;它基本上是用C和汇编写的&＃xff0c;这个库使得C语言有了面向对象的能力。

Runtime库主要做下面几件事&＃xff1a;

`封装`&＃xff1a;在这个库中&＃xff0c;对象可以用C语言中的结构体表示&＃xff0c;而方法可以用C函数来实现&＃xff0c;另外再加上了一些额外的特性。这些结构体和函数被runtime函数封装后&＃xff0c;我们就可以在程序运行时创建&＃xff0c;检查&＃xff0c;修改类、对象和它们的方法了。
`消息传递`&＃xff1a;当程序执行[object doSomething]时&＃xff0c;会向消息接收者(object)发送一条消息(doSomething)&＃xff0c;runtime会根据消息接收者是否能响应该消息而做出不同的反应。这将在后面详细介绍。
在接下来的一系列文章中&＃xff0c;我将介绍一下`runtime`的基本工作原理以及在我们的代码里可以用它来做什么。在本文中&＃xff0c;我们先来了解一下类与对象。

类与对象基础数据结构

###OC对象 OC的对象主要可以分为三种&＃xff1a;

instance对象&＃xff08;实例对象&＃xff09;
class对象&＃xff08;类对象&＃xff09;
meta-class对象&＃xff08;元类对象&＃xff09;&＃xff1a;主要存储着isa指针&＃xff0c;superclass指针&＃xff0c;类的类方法的信息&＃xff08;class method&＃xff09;。

instance对象 它主要是通过类alloc出来的对象&＃xff0c;每次调用alloc都会产生新的instance对象。

NSObjcet *object1 &＃61; [[NSObjcet alloc] init];

instance对象在内存中存储的信息包括:

isa指针
成员变量

class对象 我们通过class方法或runtime方法得到一个class对象。class对象也就是类对象。&＃61;&＃61;每一个类在内存中有且只有一个class对象&＃61;&＃61;。

Class objectClass1 &＃61; [NSObject class]; // runtime Class objectClass2 &＃61; object_getClass(object1);

class对象在内存中存储的信息主要包括:

isa指针
superclass指针
类的属性信息&＃xff08;&＃64;property&＃xff09;
类的成员变量信息&＃xff08;ivar&＃xff09;
类的对象方法信息&＃xff08;instance method&＃xff09;
类的协议信息&＃xff08;protocol&＃xff09;

meta-class对象 我们通过runtime方法得到一个class对象。&＃61;&＃61;每个类在内存中有且只有一个meta-class对象。&＃61;&＃61;

//runtime中传入类对象此时得到的就是元类对象 Class objectMetaClass &＃61; object_getClass([NSObject class]); // 判断该对象是否为元类对象 class_isMetaClass(objectMetaClass)

meta-class对象在内存中存储的信息主要包括:

isa指针
superclass指针
类的类方法的信息&＃xff08;class method&＃xff09;

我们来看看下面的图&＃xff0c;来分析这三者的关系

从上图中&＃xff0c;我们可以分析出&＃xff1a;

instance对象的isa指向class
class的isa指向meta-class
meta-class的isa指向基类的meta-class&＃xff0c;基类的isa指向自己
class的superclass指向父类的class&＃xff0c;如果没有父类&＃xff0c;superclass指针为nil
meta-class的superclass指向父类的meta-class&＃xff0c;基类的meta-class的superclass指向基类的class
instance对象调用对象方法的轨迹&＃xff0c;isa找到class&＃xff0c;方法不存在&＃xff0c;就通过superclass找父类
class调用类方法的轨迹&＃xff0c;isa找meta-class&＃xff0c;方法不存在&＃xff0c;就通过superclass找父类

###Class

Objective-C类是由Class类型来表示的&＃xff0c;它实际上是一个指向objc_class结构体的指针。在objc/objc.h它的定义如下&＃xff1a;

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

在objc/runtime.h中我们可以看到结构体objc_class的定义如下&＃xff1a;

struct objc_class {Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;#if !__OBJC2__Class _Nullable super_class OBJC2_UNAVAILABLE;// 父类const char * _Nonnull name OBJC2_UNAVAILABLE;// 类名long version OBJC2_UNAVAILABLE;// 类的版本信息&＃xff0c;默认为0long info OBJC2_UNAVAILABLE;// 类信息&＃xff0c;供运行期使用的一些位标识long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE;// 该类的实例变量大小struct objc_ivar_list * _Nullable ivars OBJC2_UNAVAILABLE;//该类的成员变量链表struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists OBJC2_UNAVAILABLE;// 方法定义的链表struct objc_cache * _Nonnull cache OBJC2_UNAVAILABLE;// 方法缓存struct objc_protocol_list * _Nullable protocols OBJC2_UNAVAILABLE;// 协议链表 #endif} OBJC2_UNAVAILABLE;

###1. name 类名

// 获取类的类名 const char * class_getName ( Class cls );

###2. isa 在Objective-C中&＃xff0c;类自身也是一个对象&＃xff0c;我们称之为类对象&＃xff0c;在这个类对象中&＃xff0c;也有一个isa指针&＃xff0c;它指向了metaClass(元类)。

###3. super_class 指向该类的父类&＃xff0c;如果该类已经是最顶层的根类(如NSObject或NSProxy)&＃xff0c;则super_class为nil。

###4. instance_size

// 获取实例大小 size_t class_getInstanceSize ( Class cls );

###5. objc_ivar_list 成员变量和属性信息。ivars是一个数组&＃xff0c;所有的成员变量、属性的信息是放在链表ivars中的。

######获取成员变量信息

// 获取整个成员变量列表 Ivar * class_copyIvarList ( Class cls, unsigned int *outCount ); //获取一个成员变量的名字 const char * _Nullable ivar_getName(Ivar _Nonnull v) //获取一个成员变量的 const char * _Nullable ivar_getTypeEncoding(Ivar _Nonnull v)

ivar_getTypeEncoding函数获取的是变量的数据类型&＃xff0c;详细的说明可以看苹果官方文档Type Encodings
class_copyIvarList函数&＃xff0c;它返回一个指向成员变量信息的数组。这个数组不包含在父类中声明的变量。outCount指针返回数组的大小。需要注意的是&＃xff0c;我们必须使用free()来释放这个数组。

######获取成员变量属性信息

/// An opaque type that represents an Objective-C declared property. typedef struct objc_property *objc_property_t; //获取整个成员变量属性列表 objc_property_t _Nonnull *_Nullable class_copyPropertyList(Class _Nullable cls, unsigned int * _Nullable outCount)/// Defines a property attribute typedef struct {const char * _Nonnull name; /**} objc_property_attribute_t;objc_property_attribute_t * _Nullable property_copyAttributeList(objc_property_t _Nonnull property,unsigned int * _Nullable outCount)

objc_property_attribute_t其实是对属性的详细描述&＃xff0c;包括属性名称、属性编码类型、原子类型/非原子类型等。如T&＃64;"NSString",C,N,V_title&＃xff0c;TQ,N,V_age。

下面详细地说明property_getAttributes获取到的属性的语义&＃xff1a;

第一&＃xff1a;T总是第一个&＃xff0c;它代表类型。对于类类型&＃xff0c;它都是T&＃64;类型&＃xff0c;其中&＃64;表示对象类型&＃xff1b;对于id类型&＃xff0c;它就是&＃64;&＃xff1b;而对于基本数据类型&＃xff0c;它都是T加上编码类型&＃xff08;&＃64;encode(type)&＃xff09;&＃xff0c;比如int类型就是Ti。
第二&＃xff1a;表示属性编码类型&＃xff0c;比如是C表示copy&＃xff0c;&表示strong&＃xff0c;W表示weak等。若是基本类型&＃xff0c;它默认是assign&＃xff0c;因此此时它是空的。
第三&＃xff1a;指定是nonatomic还是atomic&＃xff0c;若是nonatomic&＃xff0c;则用N表示&＃xff0c;若是atomic&＃xff0c;则值为空。比如的count属性的详细描述为&＃xff1a;Ti,N,V_count&＃xff0c;它表示int类型、nonatomic、成员变量名为_count&＃xff1b;tomicProperty属性描述为:T&＃64;NSNumber,&,V_atomicProperty&＃xff0c;它表示类型为NSNumber且为对象类型、strong、atomic、成员变量名为_atomicProperty。
第四&＃xff1a;在详细描述中&＃xff0c;属性名称是V开头&＃xff0c;后面跟着成员变量名称。

属性的详细说明Property Type

###6. methodLists 对象方法列表。

/// An opaque type that represents a method in a class definition. typedef struct objc_method *Method;struct objc_method {SEL method_name; // 方法名称char *method_typesE; // 参数和返回类型的描述字串IMP method_imp; // 方法的具体的实现的指针 }

获取method信息&＃xff1a;

//方法列表 Method _Nonnull * _Nullable class_copyMethodList(Class _Nullable cls, unsigned int * _Nullable outCount) //方法名 SEL _Nonnull method_getName(Method _Nonnull m) //方法实现 IMP _Nonnull method_getImplementation(Method _Nonnull m) //方法参数和返回类型的信息 const char * _Nullable method_getTypeEncoding(Method _Nonnull m) //方法参数数量 unsigned int method_getNumberOfArguments(Method _Nonnull m) //方法参数类型 char * _Nullable method_copyArgumentType(Method _Nonnull m, unsigned int index)

method_getTypeEncoding获取函数的编码&＃xff0c;其结果是一串值&＃xff0c;如&＃xff1a;v16&＃64;0:8&＃xff1b;&＃64;16&＃64;0:8&＃xff1b;v24&＃64;0:8&＃64;16。

这些字符串是什么意思&＃xff0c;通过苹果官方文档我们可以分析出:

第一个位置是返回值类型&＃xff0c;比如第一个方法返回值是V&＃xff0c;第二个的是&＃64;&＃xff0c;第三个的是v
第二/三个位置是第一/二个参数&＃xff0c;参数列表从左到右算。分别是&＃64; :&＃xff0c;&＃64; :&＃xff0c;&＃64; :&＃xff0c;都是对象&＃xff0c;其实第一个和第二个参数是固定的&＃xff0c;第一个是接收消息的对象&＃xff0c;而第二个是方法选择器SEL。
如果还有其它参数&＃xff0c;依次…
Type Encodings

###7. 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&＃xff0c;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&＃xff0c;这个对象只有一部分方法是常用的&＃xff0c;很多方法其实很少用或者根本用不上。这种情况下&＃xff0c;如果每次消息来时&＃xff0c;我们都是methodLists中遍历一遍&＃xff0c;性能势必很差。这时&＃xff0c;cache就派上用场了。在我们每次调用过一个方法后&＃xff0c;这个方法就会被缓存到cache列表中&＃xff0c;下次调用的时候runtime就会优先去cache中查找&＃xff0c;如果cache没有&＃xff0c;才去methodLists中查找方法。这样&＃xff0c;对于那些经常用到的方法的调用&＃xff0c;但提高了调用的效率。

参考&＃xff1a;