iOS 开发:『Runtime』详解(一)基础知识
栏目: Objective-C · 发布时间: 5年前
内容简介:我们都知道,将源代码转换为可执行的程序,通常要经过三个步骤:而
我们都知道,将源代码转换为可执行的程序,通常要经过三个步骤: 编译 、 链接 、 运行 。不同的编译语言,在这三个步骤中所进行的操作又有些不同。
C 语言
作为一门静态类语言,在编译阶段就已经确定了所有变量的数据类型,同时也确定好了要调用的函数,以及函数的实现。
而 Objective-C 语言
是一门动态语言。在编译阶段并不知道变量的具体数据类型,也不知道所真正调用的哪个函数。只有在运行时间才检查变量的数据类型,同时在运行时才会根据函数名查找要调用的具体函数。这样在程序没运行的时候,我们并不知道调用一个方法具体会发生什么。
Objective-C 语言
把一些决定性的工作从编译阶段、链接阶段推迟到 运行时阶段 的机制,使得 Objective-C
变得更加灵活。我们甚至可以在程序运行的时候,动态的去修改一个方法的实现,这也为大为流行的『热更新』提供了可能性。
而实现 Objective-C 语言
运行时机制 的一切基础就是 Runtime
。
Runtime
实际上是一个库,这个库使我们可以在程序运行时动态的创建对象、检查对象,修改类和对象的方法。
2. 消息机制的基本原理
Objective-C 语言
中,对象方法调用都是类似 [receiver selector];
的形式,其本质就是让对象在运行时发送消息的过程。
我们来看看方法调用 [receiver selector];
在『编译阶段』和『运行阶段』分别做了什么?
- 编译阶段:
[receiver selector];
方法被编译器转换为:objc_msgSend(receiver,selector) objc_msgSend(recevier,selector,org1,org2,…)
- 运行时阶段:消息接受者
recever
寻找对应的selector
。- 通过
recevier
的isa 指针
找到recevier
的Class(类)
; - 在
Class(类)
的method list(方法列表)
中找对应的selector
; - 如果在
Class(类)
中没有找到这个selector
,就继续在它的superClass(父类)
中寻找; - 一旦找到对应的
selector
,直接执行recever
对应selector
方法实现的IMP(方法实现)
。 - 若找不到对应的
selector
,消息被转发或者临时向recever
添加这个selector
对应的实现方法,否则就会发生崩溃。
- 通过
在上述过程中涉及了好几个新的概念: objc_msgSend
、 isa 指针
、 Class(类)
、 IMP(方法实现)
等,下面我们来具体讲解一下各个概念的含义。
3. Runtime 中的概念解析
3.1 objc_msgSend
所有 Objective-C 方法调用在编译时都会转化为对 C 函数 objc_msgSend
的调用。 objc_msgSend(receiver,selector);
是 [receiver selector];
对应的 C 函数。
3.2 Class(类)
在 objc/runtime.h
中, Class(类)
被定义为指向 objc_class 结构体
的指针, objc_class 结构体
的数据结构如下:
/// An opaque type that represents an Objective-C class. typedef struct objc_class *Class; struct objc_class { Class _Nonnull isa; // objc_class 结构体的实例指针 #if !__OBJC2__ Class _Nullable super_class; // 指向父类的指针 const char * _Nonnull name; // 类的名字 long version; // 类的版本信息,默认为 0 long info; // 类的信息,供运行期使用的一些位标识 long instance_size; // 该类的实例变量大小; struct objc_ivar_list * _Nullable ivars; // 该类的实例变量列表 struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists; // 方法定义的列表 struct objc_cache * _Nonnull cache; // 方法缓存 struct objc_protocol_list * _Nullable protocols; // 遵守的协议列表 #endif }; 复制代码
从中可以看出, objc_class 结构体
定义了很多变量:自身的所有实例变量(ivars)、所有方法定义(methodLists)、遵守的协议列表(protocols)等。 objc_class 结构体
存放的数据称为 元数据(metadata) 。
objc_class 结构体
的第一个成员变量是 isa 指针
, isa 指针
保存的是所属类的结构体的实例的指针,这里保存的就是 objc_class 结构体
的实例指针,而实例换个名字就是 对象 。换句话说, Class(类)
的本质其实就是一个对象,我们称之为 类对象 。
3.3 Object(对象)
接下来,我们再来看看 objc/objc.h
中关于 Object(对象)
的定义。 Object(对象)
被定义为 objc_object 结构体
,其数据结构如下:
/// Represents an instance of a class. struct objc_object { Class _Nonnull isa; // objc_object 结构体的实例指针 }; /// A pointer to an instance of a class. typedef struct objc_object *id; 复制代码
这里的 id
被定义为一个指向 objc_object 结构体
的指针。从中可以看出 objc_object 结构体
只包含一个 Class
类型的 isa 指针
。
换句话说,一个 Object(对象)
唯一保存的就是它所属 Class(类)
的地址。当我们对一个对象,进行方法调用时,比如 [receiver selector];
,它会通过 objc_object 结构体
的 isa 指针
去找对应的 object_class 结构体
,然后在 object_class 结构体
的 methodLists(方法列表)
中找到我们调用的方法,然后执行。
3.4 Meta Class(元类)
从上边我们看出, 对象(objc_object 结构体)
的 isa 指针
指向的是对应的 类对象(object_class 结构体)
。那么 类对象(object_class 结构体
)的 isa 指针
又指向什么呢?
object_class 结构体
的 isa 指针
实际上指向的的是 类对象
自身的 Meta Class(元类)
。
那么什么是 Meta Class(元类)
?
Meta Class(元类)
就是一个类对象所属的 类 。一个对象所属的类叫做 类对象
,而一个类对象所属的类就叫做 元类 。
Runtime 中把类对象所属类型就叫做 Meta Class(元类)
,用于描述类对象本身所具有的特征,而在元类的 methodLists 中,保存了类的方法链表,即所谓的「类方法」。并且类对象中的 isa 指针
指向的就是元类。每个类对象有且仅有一个与之相关的元类。
在 2. 消息机制的基本原理 中我们讲解了 对象方法的调用过程 ,我们是通过对象的 isa 指针
找到 对应的 Class(类)
;然后在 Class(类)
的 method list(方法列表)
中找对应的 selector
。
而 类方法的调用过程 和对象方法调用差不多,流程如下:
- 通过类对象
isa 指针
找到所属的Meta Class(元类)
; - 在
Meta Class(元类)
的method list(方法列表)
中找到对应的selector
; - 执行对应的
selector
。
下面看一个示例:
NSString *testString = [NSString stringWithFormat:@"%d,%s",3, "test"]; 复制代码
上边的示例中, stringWithFormat:
被发送给了 NSString 类
, NSString 类
通过 isa 指针
找到 NSString 元类
,然后在该元类的方法列表中找到对应的 stringWithFormat:
方法,然后执行该方法。
3.5 实例对象、类、元类之间的关系
上面,我们讲解了 实例对象(Object) 、 类(Class) 、 Meta Class(元类) 的基本概念,以及简单的指向关系。下面我们通过一张图来清晰地表示出这种关系。
我们先来看 isa 指针
:
- 水平方向上,每一级中的
实例对象
的isa 指针
指向了对应的类对象
,而类对象
的isa 指针
指向了对应的元类
。而所有元类的isa 指针
最终指向了NSObject 元类
,因此NSObject 元类
也被称为根源类
。 - 垂直方向上,
元类
的isa 指针
和父类元类
的isa 指针
都指向了根元类
。而根源类
的isa 指针
又指向了自己。
我们再来看 父类指针
:
-
类对象
的父类指针
指向了父类的类对象
,父类的类对象
又指向了根类的类对象
,根类的类对象
最终指向了 nil。 -
元类
的父类指针
指向了父类对象的元类
。父类对象的元类
的父类指针
指向了根类对象的元类
,也就是根元类
。而根元类
的父亲指针
指向了根类对象
,最终指向了 nil。
3.6 方法(Method)
object_class 结构体
的 methodLists(方法列表)
中存放的元素就是 方法(Method)
。
先来看下 objc/runtime.h
中,表示 方法(Method)
的 objc_method 结构体
的数据结构:
/// An opaque type that represents a method in a class definition. /// 代表类定义中一个方法的不透明类型 typedef struct objc_method *Method; struct objc_method { SEL _Nonnull method_name; // 方法名 char * _Nullable method_types; // 方法类型 IMP _Nonnull method_imp; // 方法实现 }; 复制代码
可以看到, objc_method 结构体
中包含了 方法名(method_name)
, 方法类型(method_types)
和 方法实现(method_imp)
。下面,我们来了解下这三个变量。
-
SEL method_name; // 方法名
/// An opaque type that represents a method selector. typedef struct objc_selector *SEL; 复制代码
SEL
是一个指向 objc_selector 结构体
的指针,但是在 runtime 相关头文件中并没有找到明确的定义。不过,通过测试我们可以得出: SEL
只是一个保存方法名的字符串。
SEL sel = @selector(viewDidLoad); NSLog(@"%s", sel); // 输出:viewDidLoad SEL sel1 = @selector(test); NSLog(@"%s", sel1); // 输出:test 复制代码
-
IMP method_imp; // 方法实现
/// 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 复制代码
IMP
的实质是一个函数指针,所指向的就是方法的实现。 IMP
用来找到函数地址,然后执行函数。
-
char * method_types; // 方法类型
方法类型 method_types
是个字符串,用来存储方法的参数类型和返回值类型。
到这里, Method
的结构就已经很清楚了, Method
将 SEL(方法名)
和 IMP(函数指针)
关联起来,当对一个对象发送消息时,会通过给出的 SEL(方法名)
去找到 IMP(函数指针)
,然后执行。
4. Runtime 消息转发
在 2. 消息机制的基本原理 最后一步中我们提到:若找不到对应的 selector
,消息被转发或者临时向 recever
添加这个 selector
对应的实现方法,否则就会发生崩溃。
当一个方法找不到的时候,Runtime 提供了 消息动态解析 、 消息接受者重定向 、 消息重定向 等三步处理消息,具体流程如下图所示:
4.1 消息动态解析
Objective-C 运行时会调用 +resolveInstanceMethod:
或者 +resolveClassMethod:
,让你有机会提供一个函数实现。我们可以通过重写这两个方法,添加其他函数实现,并返回 YES
, 那运行时系统就会重新启动一次消息发送的过程。
主要用的的方法如下:
// 类方法未找到时调起,可以在此添加类方法实现 + (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel; // 对象方法未找到时调起,可以在此对象方法实现 + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel; /** * class_addMethod 向具有给定名称和实现的类中添加新方法 * @param cls 被添加方法的类 * @param name selector 方法名 * @param imp 实现方法的函数指针 * @param types imp 指向函数的返回值与参数类型 * @return 如果添加方法成功返回 YES,否则返回 NO */ BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char * _Nullable types); 复制代码
举个例子:
#import "ViewController.h" #include "objc/runtime.h" @interface ViewController () @end @implementation ViewController - (void)viewDidLoad { [super viewDidLoad]; // 执行 fun 函数 [self performSelector:@selector(fun)]; } // 重写 resolveInstanceMethod: 添加对象方法实现 + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel { if (sel == @selector(fun)) { // 如果是执行 fun 函数,就动态解析,指定新的 IMP class_addMethod([self class], sel, (IMP)funMethod, "v@:"); return YES; } return [super resolveInstanceMethod:sel]; } void funMethod(id obj, SEL _cmd) { NSLog(@"funMethod"); //新的 fun 函数 } @end 复制代码
打印结果: 2019-06-12 10:25:39.848260+0800 runtime[14884:7977579] funMethod
从上边的例子中,我们可以看出,虽然我们没有实现 fun
方法,但是通过重写 resolveInstanceMethod:
,利用 class_addMethod
方法添加对象方法实现 funMethod
方法,并执行。从打印结果来看,成功调起了 funMethod
方法。
我们注意到 class_addMethod 方法中的特殊参数 v@:
,具体可参考官方文档中关于 Type Encodings
的说明:传送门
4.2 消息接受者重定向
如果上一步中 +resolveInstanceMethod:
或者 +resolveClassMethod:
没有添加其他函数实现,运行时就会进行下一步:消息接受者重定向。
如果当前对象实现了 -forwardingTargetForSelector:
,Runtime 就会调用这个方法,允许我们将消息的接受者转发给其他对象。
用到的方法:
// 重定向方法的消息接收者,返回一个类或实例对象 - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector; 复制代码
注意:这里 +resolveInstanceMethod:
或者 +resolveClassMethod:
无论是返回 YES
,还是返回 NO
,只要其中没有添加其他函数实现,运行时都会进行下一步。
举个例子:
#import "ViewController.h" #include "objc/runtime.h" @interface Person : NSObject - (void)fun; @end @implementation Person - (void)fun { NSLog(@"fun"); } @end @interface ViewController () @end @implementation ViewController - (void)viewDidLoad { [super viewDidLoad]; // 执行 fun 方法 [self performSelector:@selector(fun)]; } + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel { return YES; // 为了进行下一步 消息接受者重定向 } // 消息接受者重定向 - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector { if (aSelector == @selector(fun)) { return [[Person alloc] init]; // 返回 Person 对象,让 Person 对象接收这个消息 } return [super forwardingTargetForSelector:aSelector]; } 复制代码
打印结果: 2019-06-12 17:34:05.027800+0800 runtime[19495:8232512] fun
可以看到,虽然当前 ViewController
没有实现 fun
方法, +resolveInstanceMethod:
也没有添加其他函数实现。但是我们通过 forwardingTargetForSelector
把当前 ViewController
的方法转发给了 Person
对象去执行了。打印结果也证明我们成功实现了转发。
我们通过 forwardingTargetForSelector
可以修改消息的接收者,该方法返回参数是一个对象,如果这个对象是不是 nil
,也不是 self
,系统会将运行的消息转发给这个对象执行。否则,继续进行下一步:消息重定向流程。
4.3 消息重定向
如果经过消息动态解析、消息接受者重定向,Runtime 系统还是找不到相应的方法实现而无法响应消息,Runtime 系统会利用 -methodSignatureForSelector:
方法获取函数的参数和返回值类型。
- 如果
-methodSignatureForSelector:
返回了一个NSMethodSignature
对象(函数签名),Runtime 系统就会创建一个NSInvocation
对象,并通过-forwardInvocation:
消息通知当前对象,给予此次消息发送最后一次寻找 IMP 的机会。 - 如果
-methodSignatureForSelector:
返回nil
。则 Runtime 系统会发出-doesNotRecognizeSelector:
消息,程序也就崩溃了。
所以我们可以在 -forwardInvocation:
方法中对消息进行转发。
用到的方法:
// 获取函数的参数和返回值类型,返回签名 - (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector; // 消息重定向 - (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation; 复制代码
举个例子:
#import "ViewController.h" #include "objc/runtime.h" @interface Person : NSObject - (void)fun; @end @implementation Person - (void)fun { NSLog(@"fun"); } @end @interface ViewController () @end @implementation ViewController - (void)viewDidLoad { [super viewDidLoad]; // 执行 fun 函数 [self performSelector:@selector(fun)]; } + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel { return YES; // 为了进行下一步 消息接受者重定向 } - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector { return nil; // 为了进行下一步 消息重定向 } // 获取函数的参数和返回值类型,返回签名 - (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector { if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"fun"]) { return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"]; } return [super methodSignatureForSelector:aSelector]; } // 消息重定向 - (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation { SEL sel = anInvocation.selector; // 从 anInvocation 中获取消息 Person *p = [[Person alloc] init]; if([p respondsToSelector:sel]) { // 判断 Person 对象方法是否可以响应 sel [anInvocation invokeWithTarget:p]; // 若可以响应,则将消息转发给其他对象处理 } else { [self doesNotRecognizeSelector:sel]; // 若仍然无法响应,则报错:找不到响应方法 } } @end 复制代码
打印结果: 2019-06-13 13:23:06.935624+0800 runtime[30032:8724248] fun
可以看到,我们在 -forwardInvocation:
方法里面让 Person
对象去执行了 fun
函数。
既然 -forwardingTargetForSelector:
和 -forwardInvocation:
都可以将消息转发给其他对象处理,那么两者的区别在哪?
区别就在于 -forwardingTargetForSelector:
只能将消息转发给一个对象。而 -forwardInvocation:
可以将消息转发给多个对象。
以上就是 Runtime 消息转发的整个流程。
结合之前讲的 2. 消息机制的基本原理 ,就构成了整个消息发送以及转发的流程。下面我们来总结一下整个流程。
5. 消息发送以及转发机制总结
调用 [receiver selector];
后,进行的流程:
- 编译阶段:
[receiver selector];
方法被编译器转换为:objc_msgSend(receiver,selector) objc_msgSend(recevier,selector,org1,org2,…)
- 运行时阶段:消息接受者
recever
寻找对应的selector
。- 通过
recevier
的isa 指针
找到recevier
的class(类)
; - 在
class(类)
的method list(方法列表)
中找对应的selector
; - 如果在
class(类)
中没有找到这个selector
,就继续在它的superclass(父类)
中寻找; - 一旦找到对应的
selector
,直接执行recever
对应selector
方法实现的IMP(方法实现)
。 - 若找不到对应的
selector
,Runtime 系统进入消息转发机制。
- 通过
- 运行时消息转发阶段:
- 动态解析:通过重写
+resolveInstanceMethod:
或者+resolveClassMethod:
方法,利用class_addMethod
方法添加其他函数实现; - 消息接受者重定向:如果上一步添加其他函数实现,可在当前对象中利用
-forwardingTargetForSelector:
方法将消息的接受者转发给其他对象; - 消息重定向:如果上一步没有返回值为
nil
,则利用-methodSignatureForSelector:
方法获取函数的参数和返回值类型。- 如果
-methodSignatureForSelector:
返回了一个NSMethodSignature
对象(函数签名),Runtime 系统就会创建一个NSInvocation
对象,并通过-forwardInvocation:
消息通知当前对象,给予此次消息发送最后一次寻找 IMP 的机会。 - 如果
-methodSignatureForSelector:
返回nil
。则 Runtime 系统会发出-doesNotRecognizeSelector:
消息,程序也就崩溃了。
- 如果
- 动态解析:通过重写
以上所述就是小编给大家介绍的《iOS 开发:『Runtime』详解(一)基础知识》,希望对大家有所帮助,如果大家有任何疑问请给我留言,小编会及时回复大家的。在此也非常感谢大家对 码农网 的支持!
猜你喜欢:- 21 张图详解网络基础知识
- 36 张图详解网络基础知识
- 详解CPU几个重点基础知识
- iOS 开发:『Runtime』详解(一)基础知识
- Python 变量详解[学习 Python 必备基础知识][看此一篇就够了]
- AJAX基础知识及核心原理详解。前后端分离和不分离的优势与弊端
本站部分资源来源于网络,本站转载出于传递更多信息之目的,版权归原作者或者来源机构所有,如转载稿涉及版权问题,请联系我们。