探秘Runtime - Runtime介绍

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描述

OC语言是一门动态语言，会将程序的一些决定工作从编译期推迟到运行期。由于OC语言运行时的特性，所以其不只需要依赖编译器，还需要依赖运行时环境。

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。

根据 Apple 官方文档的描述，目前OC运行时分为两个版本， Modern 和 Legacy 。二者的区别在于 Legacy 在实例变量发生改变后，需要重新编译其子类。 Modern 在实例变量发生改变后，不需要重新编译其子类。

Runtime 不只是一些C语言的API，其由 Class 、 Meta Class 、 Instance、Class Instance 组成， 是一套完整的面向对象的数据结构。所以研究Runtime整体的对象模型，比研究API是怎么实现的更有意义。

使用Runtime

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。

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

对象模型

下面图中表示了对象间 isa 的关系，以及类的继承关系。

从 Runtime 源码可以看出，每个对象都是一个 objc_object 的结构体， 在结构体中有一个isa指针，该指针指向自己所属的类，由Runtime负责创建对象。

类被定义为 objc_class 结构体， objc_class 结构体继承自 objc_object ，所以类也是对象。在应用程序中，类对象只会被创建一份。在 objc_class 结构体中定义了对象的 method list 、 protocol 、 ivar list 等，表示对象的行为。

既然类是对象，那类对象也是其他类的实例。所以 Runtime 中设计出了 meta class ，通过 meta class 来创建类对象，所以类对象的 isa 指向对应的 meta class 。而 meta class 也是一个对象，所有元类的 isa 都指向其根元类，根原类的 isa 指针指向自己。通过这种设计， isa 的整体结构形成了一个闭环。

// 精简版定义
typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
}

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

在对象的继承体系中，类和元类都有各自的继承体系，但它们都有共同的根父类 NSObject ，而 NSObject 的父类指向 nil 。需要注意的是，上图中 Root Class(Class) 是 NSObject 类对象，而 Root Class(Meta) 是 NSObject 的元类对象。

基础定义

在 objc-private.h 文件中，有一些项目中常用的基础定义，这是最新的 objc-723 中的定义，可以来看一下。

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

typedef struct method_t *Method;
typedef struct ivar_t *Ivar;
typedef struct category_t *Category;
typedef struct property_t *objc_property_t;

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。

typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ );

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。

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);
// ....

获取IMP

通过定义在 NSObject 中的下面两个方法，可以根据传入的 SEL 获取到对应的 IMP 。 methodForSelector: 方法不只实例对象可以调用，类对象也可以调用。

- (IMP)methodForSelector:(SEL)aSelector;
+ (IMP)instanceMethodForSelector:(SEL)aSelector;

例如下面创建C函数指针用来接收 IMP ，获取到 IMP 后可以手动调用 IMP ，在定义的C函数中需要加上两个隐藏参数。

void (*function) (id self, SEL _cmd, NSObject object);

function = (id self, SEL _cmd, NSObject object)[self methodForSelector:@selector(object:)];

function(instance, @selector(object:), [NSObject new]);

性能优化

通过这些 API 可以进行一些优化操作。如果遇到大量的方法执行，可以通过 Runtime 获取到 IMP ，直接调用 IMP 实现优化。

TestObject *object = [[TestObject alloc] init];
void(*function)(id, SEL) = (void(*)(id, SEL))class_getMethodImplementation([TestObject class], @selector(testMethod));
function(object, @selector(testMethod));

在获取和调用 IMP 的时候需要注意，每个方法默认都有两个隐藏参数，所以在函数声明的时候需要加上这两个隐藏参数，调用的时候也需要把相应的对象和 SEL 传进去，否则可能会导致 Crash 。

IMP for block

Runtime 还支持 block 方式的回调，我们可以通过 Runtime 的 API ，将原来的方法回调改为 block 的回调。

// 类定义
@interface TestObject : NSObject
- (void)testMethod:(NSString *)text;
@end

// 类实现
@implementation TestObject
- (void)testMethod:(NSString *)text {
    NSLog(@"testMethod : %@", text);
}
@end

// runtime
IMP function = imp_implementationWithBlock(^(id self, NSString *text) {
    NSLog(@"callback block : %@", text);
});
const char *types = sel_getName(@selector(testMethod:));
class_replaceMethod([TestObject class], @selector(testMethod:), function, types);
    
TestObject *object = [[TestObject alloc] init];
[object testMethod:@"lxz"];

// 输出
callback block : lxz

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。

typedef struct method_t *Method;

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

在运行过程中是这样。

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。

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。

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。

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

分析实例变量

对象间关系

在OC中绝大多数类都是继承自 NSObject 的( NSProxy 例外)，类与类之间都会存在继承关系。通过子类创建对象时，继承链中所有成员变量都会存在对象中。

例如下图中，父类是 UIViewController ，具有一个 view 属性。子类 UserCenterViewController 继承自 UIViewController ，并定义了两个新属性。这时如果通过子类创建对象，就会同时包含着三个实例变量。

但是类的结构在编译时都是固定的，如果想要修改类的结构需要重新编译。如果上线后用户安装到设备上，新版本的iOS系统中更新了父类的结构，也就是 UIViewController 的结构，为其加入了新的实例变量，这时用户更新新的iOS系统后就会导致问题。

原来 UIViewController 的结构中增加了 childViewControllers 属性，这时候和子类的内存偏移就发生冲突了。只不过， Runtime 有检测内存冲突的机制，在类生成实例变量时，会判断实例变量是否有地址冲突，如果发生冲突则调整对象的地址偏移，这样就在运行时解决了地址冲突的问题。

内存布局

类的本质是结构体，在结构体中包含一些成员变量，例如 method list 、 ivar list 等，这些都是结构体的一部分。 method、protocol 、 property 的实现这些都可以放到类中，所有对象调用同一份即可， 但对象的成员变量不可以放在一起，因为每个对象的成员变量值都是不同的。

创建实例对象时，会根据其对应的Class分配内存，内存构成是ivars+isa_t。并且实例变量不只包含当前 Class 的 ivars ，也会包含其继承链中的 ivars 。 ivars 的内存布局在编译时就已经决定，运行时需要根据 ivars 内存布局创建对象，所以 Runtime 不能动态修改 ivars ，会破坏已有内存布局。

(上图中，“x”表示地址对其后的空位)

以上图为例，创建的对象中包含所属类及其继承者链中，所有的成员变量。因为对象是结构体，所以需要进行地址对其，一般OC对象的大小都是8的倍数。

也不是所有对象都不能动态修改ivars，如果是通过runtime动态创建的类，是可以修改ivars的。这个在后面会有讲到。

ivar读写

实例变量的 isa_t 指针会指向其所属的类，对象中并不会包含 method 、 protocol 、 property 、 ivar 等信息，这些信息在编译时都保存在只读结构体 class_ro_t 中。在 class_ro_t 中 ivars 是 const 只读的，在 image load 时 copy 到 class_rw_t 中时，是不会 copy ivars 的，并且 class_rw_t 中并没有定义 ivars 的字段。

在访问某个成员变量时，直接通过 isa_t 找到对应的 objc_class ，并通过其 class_ro_t 的 ivar list 做地址偏移，查找对应的对象内存。正是由于这种方式，所以对象的内存地址是固定不可改变的。

方法传参

当调用实例变量的方法时，会通过 objc_msgSend() 发起调用，调用时会传入 self 和 SEL 。函数内部通过 isa 在类的内部查找方法列表对应的 IMP ，传入对应的参数并发起调用。如果调用的方法时涉及到当前对象的成员变量的访问，这时候就是在 objc_msgSend() 内部，通过类的 ivar list 判断地址偏移，取出 ivar 并传入调用的 IMP 中的。

调用 super 的方式时则调用 objc_msgSendSuper() 函数实现，调用时将实例变量的父类传进去。但是需要注意的是，调用 objc_msgSendSuper 函数时传入的对象，也是当前实例变量，所以是在向自己发送父类的消息。具体可以看一下 [self class] 和 [super class] 的结果，结果应该都是一样的。

在项目中经常会通过 [super xxx] 的方式调用父类方法，这是因为需要先完成父类的操作，当然也可以不调用，视情况而定。以经常见到的自定义 init 方法中，经常会出现 if (self = [super init]) 的调用，这是在完成自己的初始化之前先对父类进行初始化，否则只初始化自身可能会存在问题。在调用 [super init] 时如果返回 nil ，则表示父类初始化失败，这时候初始化子类肯定会出现问题，所以需要做判断。

参考资料

苹果开源代码不建议去Github，上面的版本一般更新不及时，建议去苹果的开源官网。

Apple Opensource

简书由于排版的问题，阅读体验并不好，布局、图片显示、代码等很多问题。所以建议到我 Github 上，下载 Runtime PDF 合集。把所有 Runtime 文章总计九篇，都写在这个 PDF 中，而且左侧有目录，方便阅读。

下载地址： Runtime PDF

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