Runtime

发表于 | 分类于 |

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。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
//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：

1
typedef struct objc_class *Class;

与该结构体相关的主要定义如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
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:

1
2
3
4
5
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：

1
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；
1
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。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
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：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
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：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
- (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：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
/** 
 * 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

类

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
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

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
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

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
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

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
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)