Objective-C的runtime原理
02 Nov 2015
前言
runtime：指一个程序在运行（或者在被执行）的状态。也就是说，当你打开一个程序使它在电脑上运行的时候，那个程序就是处于运行时刻。在一些编程语言中，把某些可以重用的程序或者实例打包或者重建成为运行库。这些实例可以在它们运行的时候被连接或者被任何程序调用。
Objective-C中runtime：是一套比较底层的纯C语言API，属于1个C语言库，包含了很多底层的C语言API。在我们平时编写的OC代码中，程序运行过程时，其实最终都是转成了runtime的C语言代码。
Objective-C是基于C语言加入了面向对象特性和消息转发机制的动态语言，这意味着它不仅需要一个编译器，还需要runtime系统来动态创建类和对象，进行消息发送和转发。
Runtime数据结构
在Objective-C中，使用[receiver message]语法并不会马上执行receiver对象的message方法的代码，而是向receiver发送一条message消息，这条消息可能由receiver来处理，也可能由转发给其他对象来处理，也有可能假装没有接收到这条消息而没有处理。其实[receiver message]被编译器转化为：
id objc_msgSend ( id self, SEL op, ... );
SEL
SEL是函数objc_msgSend第二个参数的数据类型，表示方法选择器，<objc.h>文件中SEL数据结构：
typedef struct objc_selector *SEL;
其实它就是映射到方法的C字符串，你可以通过objc编译器命令@selector()或者runtime系统的sel_registerName函数来获取一个SEL类型的方法选择器。
如果你知道selector对应的方法名是什么，可以通过NSString* NSStringFromSelector(SEL aSelector)方法将SEL转化为字符串，再用NSLog打印。
id
objc_msgSend第一个参数的数据类型id，id是通用类型指针，能够表示任何对象。<objc.h>文件中id数据结构如下：
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
id其实就是一个指向objc_object结构体指针，它包含一个Class isa成员，根据isa指针就可以顺藤摸瓜找到对象所属的类。
注意：根据Apple的官方文档Key-Value Observing Implementation Details提及，key-value observing是使用isa-swizzling的技术实现的，isa指针在运行时被修改，指向一个中间类而不是真正的类。所以，你不应该使用isa指针来确定类的关系，而是使用[class(https://developer.apple.com/library/ios/documentation/Cocoa/Reference/Foundation/Protocols/NSObject_Protocol/index.html#//apple_ref/occ/intfm/NSObject/class)]方法来确定实例对象的类。
Class
isa指针的数据类型是Class，Class表示对象所属的类，<objc.h>文件中：
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;
可以查看到Class其实就是一个objc_class结构体指针。再看<runtime.h>中objc_class的定义：
struct objc_class {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
Class super_class; // 指向其父类
const char *name; // 类名
long version; // 类的版本信息，初始化默认为0，可以通过runtime函数class_setVersion和class_getVersion进行修改、读取
long info; // 一些标识信息,如CLS_CLASS (0x1L) 表示该类为普通 class ，其中包含对象方法和成员变量;CLS_META (0x2L) 表示该类为 metaclass，其中包含类方法;
long instance_size ; // 该类的实例变量大小(包括从父类继承下来的实例变量);
struct objc_ivar_list *ivars; // 用于存储每个成员变量的地址
struct objc_method_list **methodLists; // 与 info 的一些标志位有关,如CLS_CLASS (0x1L),则存储对象方法，如CLS_META (0x2L)，则存储类方法;
struct objc_cache *cache; // 指向最近使用的方法的指针，用于提升效率；
struct objc_protocol_list *protocols; // 存储该类遵守的协议
#endif
注意：OBJC2_UNAVAILABLE是一个Apple对Objc系统运行版本进行约束的宏定义，主要为了兼容非Objective-C 2.0的遗留版本，但我们仍能从中获取一些有用信息。
- isa：表示一个Class对象的Class，也就是MetaClass。在面向对象设计中，一切都是对象，Class在设计中本身也是一个对象。我们会在
<objc-runtime-new.h>文件找到证据，发现objc_class有以下定义：
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
......
}
由此可见，结构体objc_class也是继承objc_object，说明Class在设计中本身也是一个对象。
其实Meta Class也是一个Class，那么它也跟其他Class一样有自己的isa和super_class指针，关系如下：
上图实线是super_class指针，虚线是isa指针。有几个关键点需要解释以下：
1.
Root class(class)其实就是NSObject，NSObject是没有超类的，所以Root class(class)的superclass指向nil。2.每个Class都有一个isa指针指向唯一的
Meta class。3.
Root class(meta)的superclass指向Root class(class)，也就是NSObject，形成一个回路。4.每个
Meta class的isa指针都指向Root class(meta)。
- super_class：父类，如果该类已经是最顶层的根类，那么它为
NULL。 - version：类的版本信息，默认为0。
- info：供运行期使用的一些位标识。
- instance_size：该类的实例变量大小。
- ivars：表示多个成员变量，它指向objc_ivar_list结构体。。
struct objc_ivar_list {
int ivar_count;
#ifdef __LP64__
int space;
#endif
/* variable length structure */
struct objc_ivar ivar_list[1];
};
objc_ivar_list其实就是一个链表，存储多个objc_ivar，而objc_ivar结构体存储类的单个成员变量信息。
- methodLists：表示方法列表，它指向
objc_method_list结构体的二级指针，可以动态修改*methodLists的值来添加成员方法，也是Category实现原理，同样也解释Category不能添加属性的原因。。
struct objc_method_list {
struct objc_method_list *obsolete;
int method_count;
#ifdef __LP64__
int space;
#endif
/* variable length structure */
struct objc_method method_list[1];
};
同理，objc_method_list也是一个链表，存储多个objc_method，而objc_method结构体存储类的某个方法的信息。
- objc_cache：用来缓存经常访问的方法，它指向
objc_cache结构体，后面会重点讲到。 - protocols：类遵循哪些协议。
- Method：表示类中的某个方法，
<runtime.h>文件中：
/// An opaque type that represents a method in a class definition.
typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE;
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;
}
其实Method就是一个指向objc_method结构体指针，它存储了方法名(method_name)、方法类型(method_types)和方法实现(method_imp)等信息。而method_imp的数据类型是IMP，它是一个函数指针。
- Ivar：表示类中的实例变量，在
<runtime.h>文件中：
/// An opaque type that represents an instance variable.
typedef struct objc_ivar *Ivar;
struct objc_ivar {
char *ivar_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *ivar_type OBJC2_UNAVAILABLE;
int ivar_offset OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}
Ivar其实就是一个指向objc_ivar结构体指针，它包含了变量名(ivar_name)、变量类型(ivar_type)等信息。
- IMP：在上面讲Method时就说过，IMP本质上就是一个函数指针，指向方法的实现，在
<objc.h>文件中：
/// A pointer to the function of a method implementation.
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ );
#else
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);
#endif
当你向某个对象发送一条信息，可以由这个函数指针来指定方法的实现，它最终就会执行那段代码，这样可以绕开消息传递阶段而去执行另一个方法实现。
- Cache：顾名思义，Cache主要用来缓存，那它缓存什么呢？我们先在runtime.h文件看看它的定义：
typedef struct objc_cache *Cache OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_cache {
unsigned int mask /* total = mask + 1 */ OBJC2_UNAVAILABLE;
unsigned int occupied OBJC2_UNAVAILABLE;
Method buckets[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
};
Cache其实就是一个存储Method的链表，主要是为了优化方法调用的性能。当对象receiver调用方法message时，首先根据对象receiver的isa指针查找到它对应的类，然后在类的methodLists中搜索方法，如果没有找到，就使用super_class指针到父类中的methodLists查找，一旦找到就调用方法。如果没有找到，有可能消息转发，也可能忽略它。但这样查找方式效率太低，因为往往一个类大概只有20%的方法经常被调用，占总调用次数的80%。所以使用Cache来缓存经常调用的方法，当调用方法时，优先在Cache查找，如果没有找到，再到methodLists查找。
关于元类（meteClass）及isa的补充：
核心规则：类的实例对象的isa指向该类；该类的isa指向该类的 metaclass。
通俗说法：成员方法记录在class method-list中，类方法记录在metaClass中。即instance-object的信息在class-object中，而class-object的信息在metaClass中。
各个类实例变量的继承关系：
每一个对象本质上都是一个类的实例。其中类定义了成员变量和成员方法的列表。对象通过对象的isa指针指向类。
每一个类本质上都是一个对象，类其实是元类（meteClass）的实例。元类定义了类方法的列表。类通过类的isa指针指向元类。
所有的元类最终继承一个根元类，根元类isa指针指向本身，形成一个封闭的内循环。
代码：
文章中的代码都可以从我的GitHub runtime_demo 找到。