Runtime

Objective-C的动态性是由Runtime API来支撑的,Runtime API提供的接口基本都是C语言的,源代码由C\C++\汇编语言编写。

isa详解

在arm64架构之前,isa就是一个普通的指针,存储着Class、Meta-Class对象的内存地址。从arm64架构开始,对isa进行了优化,变成了一个共用体(union)结构isa_t,还使用位域来存储更多的信息。

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//arm64架构下,isa_t的结构参考如下:
union isa_t {
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

Class cls;
uintptr_t bits;
struct {
uintptr_t nonpointer : 1;
uintptr_t has_assoc : 1;
uintptr_t has_cxx_dtor : 1;
uintptr_t shiftcls : 33;
uintptr_t magic : 6;
uintptr_t weakly_referenced : 1;
uintptr_t deallocating : 1;
uintptr_t has_sidetable_rc : 1;
uintptr_t extra_rc : 19
};
};

字段含义如下:

  • nonpointer: 0代表普通的指针,存储着Class、Meta-Class对象的内存地址; 1代表优化过,使用位域存储更多的信息;
  • has_assoc: 是否有设置过关联对象,如果没有,释放时会更快;
  • has_cxx_dtor: 是否有C++的析构函数(.cxx_destruct),如果没有,释放时会更快;
  • shiftcls: 存储着Class、Meta-Class对象的内存地址信息;
  • magic: 用于在调试时分辨对象是否未完成初始化;
  • weakly_referenced: 是否有被弱引用指向过,如果没有,释放时会更快;
  • deallocating: 对象是否正在释放;
  • extra_rc: 里面存储的值是引用计数器减1;
  • has_sidetable_rc: 引用计数器是否过大无法存储在isa中,如果为1,那么引用计数会存储在一个叫SideTable的类的属性中;

arm64架构下取出shiftcls的掩码ISA_MASK为0x0000000ffffffff8ULL,由此可见,class对象和meta-class对象的地址值最后3位都是0.

Class结构

Class本质上为一个结构体类型:

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typedef struct objc_class *Class;

与该结构体相关的主要定义如下:

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struct objc_object {
private:
isa_t isa;
//以下省略
}

struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache; // 方法缓存
class_data_bits_t bits; // 类的具体信息
class_rw_t *data() {
return bits.data();
}
//以下省略
}

struct class_rw_t {
// Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
uint32_t flags;
uint32_t version;

const class_ro_t *ro;

method_array_t methods; //方法列表
property_array_t properties; //属性信息
protocol_array_t protocols; //协议列表
}

struct class_ro_t {
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize; //instance对象占用的内存大小
#ifdef __LP64__
uint32_t reserved;
#endif

const uint8_t * ivarLayout;

const char * name; //类名
method_list_t * baseMethodList;
protocol_list_t * baseProtocols;
const ivar_list_t * ivars; //成员变量列表

const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
}

class_rw_t里面的methods、properties、protocols是二维数组,是可读可写的,包含了类的初始内容、分类的内容。

class_ro_t里面的baseMethodList、baseProtocols、ivars、baseProperties是一维数组,是只读的,包含了类的初始内容。

method_t是对方法、函数的封装:

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struct method_t {
SEL name; //函数名
const char *types; //编码(返回值类型,参数类型)
MethodListIMP imp; //指向函数的指针(函数地址)
};

IMP代表函数的具体实现:

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typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...);

SEL代表方法或函数名,一般叫做选择器,底层结构跟char *类似:

  • 可以通过@selector()和sel_registerName()获得;
  • 可以通过sel_getName()和NSStringFromSelector()转成字符串;
  • 不同类中相同名字的方法,所对应的方法选择器是相同的;
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typedef struct objc_selector *SEL;

types包含了函数返回值、参数编码的字符串。 相关介绍可以参考:Type Encodings

方法缓存

Class内部结构中有个方法缓存(cache_t),用散列表(哈希表)来缓存曾经调用过的方法,可以提高方法的查找速度。

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struct cache_t {
struct bucket_t *_buckets; //散列表
mask_t _mask; //散列表长度-1
mask_t _occupied; //已经缓存的方法数量
}

struct bucket_t {
uintptr_t _imp; //函数地址
SEL _sel; //缓存的key
}

方法调用

OC中的方法调用,其实都是转换为objc_msgSend函数的调用。objc_msgSend的执行流程可以分为3大阶段:

  1. 消息发送
  2. 动态方法解析
  3. 消息转发

objc_msgSend源码导读

消息发送

从源码归纳出如下流程:

动态方法解析

假如在消息发送过程中,没有查找到方法,那么就会进入动态方法解析。动态方法解析就是在运行时临时添加一个方法实现,来进行消息的处理。

开发者可以实现以下方法,来动态添加方法实现:

  • resolveInstanceMethod:
  • resolveClassMethod:

下面是代码示例:

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void notFound_eat(id self, SEL _cmd)
{
// implementation ....
NSLog(@"%@ - %@", self, NSStringFromSelector(_cmd));
NSLog(@"current in method %s", __func__);
}

//对象方法解析
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
if (sel == @selector(eat)) {
// 注意添加到self,此处即类对象
class_addMethod(self, sel, (IMP)notFound_eat, "v16@0:8");
return YES;
}
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

//类方法解析
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel
{
if (sel == @selector(learn)) {
// 第一个参数是object_getClass(self)
class_addMethod(object_getClass(self), sel, (IMP)notFound_learn, "v16@0:8");
return YES;
}
return [super resolveClassMethod:sel];
}

下面是class_addMethod添加的另一种方式:

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- (void)notFound_eat
{
// implementation ....
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
if (sel == @selector(test)) {
// 获取其他方法
Method method = class_getInstanceMethod(self, @selector(notFound_eat));

// 动态添加test方法的实现
class_addMethod(self, sel,
method_getImplementation(method),
method_getTypeEncoding(method));

// 返回YES代表有动态添加方法
return YES;
}
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

动态解析过后,会重新进入到“消息发送”的流程,“从receiverClass的cache中查找方法”这一步开始执行。

在动态方法解析完成后,会将标识tridResolver设置为YES,表示已经进行过动态解析,避免消息发送和动态方法解析之间出现死循环。

动态方法解析最佳的一个实践用例就是@dynamic的实现。

消息转发

下面是消息转发阶段的流程图:

super

super调用底层会转换为objc_msgSendSuper2()函数调用, 相关定义及注释如下:

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/** 
* Sends a message with a simple return value to the superclass of an instance of a class.
*
* @param super A pointer to an \c objc_super data structure. Pass values identifying the
* context the message was sent to, including the instance of the class that is to receive the
* message and the superclass at which to start searching for the method implementation.
* @param op A pointer of type SEL. Pass the selector of the method that will handle the message.
* @param ...
* A variable argument list containing the arguments to the method.
*
* @return The return value of the method identified by \e op.
*
* @see objc_msgSend
*/
id objc_msgSendSuper(struct objc_super *super, SEL op, ...)

struct objc_super2 {
id receiver; //消息接收者
Class cls; // the class to search,消息接收者的父类
}

使用super调用时,消息的接收者仍然是self,只是会从父类中开始寻找方法。

Runtime API

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动态创建一个类(参数:父类,类名,额外的内存空间)
Class objc_allocateClassPair(Class superclass, const char *name, size_t extraBytes)

注册一个类(要在类注册之前添加成员变量)
void objc_registerClassPair(Class cls)

销毁一个类
void objc_disposeClassPair(Class cls)

获取isa指向的Class
Class object_getClass(id obj)

设置isa指向的Class
Class object_setClass(id obj, Class cls)

判断一个OC对象是否为Class
BOOL object_isClass(id obj)

判断一个Class是否为元类
BOOL class_isMetaClass(Class cls)

获取父类
Class class_getSuperclass(Class cls)

成员变量

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获取一个实例变量信息
Ivar class_getInstanceVariable(Class cls, const char *name)

拷贝实例变量列表(最后需要调用free释放)
Ivar *class_copyIvarList(Class cls, unsigned int *outCount)

设置和获取成员变量的值
void object_setIvar(id obj, Ivar ivar, id value)
id object_getIvar(id obj, Ivar ivar)

动态添加成员变量(已经注册的类是不能动态添加成员变量的)
BOOL class_addIvar(Class cls, const char * name, size_t size, uint8_t alignment, const char * types)

获取成员变量的相关信息
const char *ivar_getName(Ivar v)
const char *ivar_getTypeEncoding(Ivar v)

属性

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获取一个属性
objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name)

拷贝属性列表(最后需要调用free释放)
objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount)

动态添加属性
BOOL class_addProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes,
unsigned int attributeCount)

动态替换属性
void class_replaceProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes,
unsigned int attributeCount)

获取属性的一些信息
const char *property_getName(objc_property_t property)
const char *property_getAttributes(objc_property_t property)

方法

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获得一个实例方法、类方法
Method class_getInstanceMethod(Class cls, SEL name)
Method class_getClassMethod(Class cls, SEL name)

方法实现相关操作
IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL name)
IMP method_setImplementation(Method m, IMP imp)
void method_exchangeImplementations(Method m1, Method m2)

拷贝方法列表(最后需要调用free释放)
Method *class_copyMethodList(Class cls, unsigned int *outCount)

动态添加方法
BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)

动态替换方法
IMP class_replaceMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)

获取方法的相关信息(带有copy的需要调用free去释放)
SEL method_getName(Method m)
IMP method_getImplementation(Method m)
const char *method_getTypeEncoding(Method m)
unsigned int method_getNumberOfArguments(Method m)
char *method_copyReturnType(Method m)
char *method_copyArgumentType(Method m, unsigned int index)

选择器相关
const char *sel_getName(SEL sel)
SEL sel_registerName(const char *str)

用block作为方法实现
IMP imp_implementationWithBlock(id block)
id imp_getBlock(IMP anImp)
BOOL imp_removeBlock(IMP anImp)