Runtime ----- 带你上道

在IOS开发和学习过程中,我们经常会接触到一个词: Runtime  。很多开发者对之既熟悉又陌生,基本都是浅尝辄止,达不到灵活使用的水平(话说开发中也确实不经常用。。)本文和大家一起研究一下,Runtime到底是什么,还有他的一些应用场景,毕竟Runtime是OC动态特性的核心,熟练掌握它可以帮助我们更好的控制类的属性及方法,编写出更高效的代码。

一、什么是Runtime 

不管你之前如何理解的Runtime,先把他扔一边,我们从头梳理一下:

1、有一种大气而准确的说法 :

Objective-C是C语言的扩展,并加入了面向对象特性和Smalltalk式的消息传递机制。OC中的Runtime实现了将C语言转化为面向对象语言的作用,实际上我们的每一条OC代码的执行都会转换为Runtime的函数调用。Runtime是OC底层的实现,其函数的调用是高效的,基于Runtime的代码编写也是高效的!

2、核心:

是一个用C和汇编语言写的Runtime库(开源),这个库所做的事情就是加载类信息,进行方法的分发和转发,正是这个库赋予了Objective-C动态特性。

3、所谓的“动态特性” :

(1)我们比较下C++ 和OC,C++没有动态特性,编译时直接将代码转换为机器语言,而OC是在运行的时候,通过Runtime把程序转为可令计算机读懂的语言。两者都是对C进行了面向对象的扩展,但是实现机制不同。

(2)虽然RunTime赋予了OC动态特性,使得开发和使用变得相当灵活,但是归根结底OC还是一种编译型的语言,其具有一定的动态性,但是其动态特性也比不上JavaScript这种解释型的语言。

4、Runtime 其实有两个版本(也就听听。。):

(1)“Modern” 和 “Legacy”。我们现在用的 Objective-C 2.0 采用的是现行(Modern)版的 Runtime 系统,只能运行在 iOS 和 OS X 10.5 之后的64位程序中。而OS X较老的32位程序仍采用 Objective-C 1中得(早期) Legacy 版本的 Runtime 系统。这两个版本最大的区别在于当你更改一个类的实例变量的布局时,在早期版本中你需要重新编译它的子类,而现行版本就不需要。

(2)苹果开源了Runtime库的代码,同时GNU也维护着一个开源的版本,这两个版本之间都在努力的保持一致。

5、常见的简单使用场景,后面详细罗列:

(1)动态的创建、改变类

(2)动态的创建、改变、遍历属性

(3)动态的创建、改变、交互、遍历方法

二、OC中的对象模型

真正开始了解Runtime,有个基础工作需要做,就是我们要重温一下OC的对象和类的结构

1、打开<objc/objc.h>看看objc_object的定义 (截图看起来比较清晰,呵呵)

    

总结一下上面的:

(1)常用的id类型实际上是一个指向objc_object(实例对象)结构体的指针,id通常指代一个对象,也就是说OC对象其实就一个指向objc_object结构体的指针

(2)看objc_object结构体定义,得知其结构体内有一个类型为Class的字段isa,这就是常说的isa指针了。

(3)Class声明为一个指向objc_class的指针

关于 SEL、IMP的补充

(1)SEL是selector在Objective-C中的表示类型。selector可以理解为区别“方法”的ID。

    typedef struct objc_selector *SEL;
    struct objc_selector {
        char *name;                       OBJC2_UNAVAILABLE;// 名称
        char *types;                      OBJC2_UNAVAILABLE;// 类型
    };

   name和types都是char类型。

(2)IMP是“implementation”的缩写,它是由编译器生成的一个函数指针。当你发起一个消息后,这个函数指针决定了最终执行哪段代码。

2、接下来打开<objc/runtime.h>,看看objc_class的定义

研究一下objc_class中的几个字段:

(1)isa:这里的isa指针同样是一个指向objc_class(类对象)的指针,表明该Class的类型,这里的isa指针指向的就是常说的meta-class(元类)了。不难看出,类本身也是一个对象。同样的,元类也是一个对象,为了设计上的完整,元类的isa指针都会指向一个root metaclass(根元类)。根元类本身的isa指针指向自己,这样就形成了一个闭环。

(2)super_class:这个指针就是指向该class的super class,即指向父类,如果该类已经是最顶层的根类(如NSObject或NSProxy),则super_class为NULL。

(3)cache:用于缓存最近使用的方法。消息发送时,系统会根据isa指针去查找能够响应这个消息的对象。在实际使用中,这个对象只有一部分方法是常用的,如果每次消息来时,都是在methodLists中遍历一遍,性能一定很差。这时,在每次调用过一个方法后,这个方法就会被缓存到cache列表中,下次调用的时候runtime就会优先去cache中查找,如果cache没有,才去methodLists中查找方法。这样,对于那些经常用到的方法的调用,提高了调用的效率。

(4)version:我们可以使用这个字段来提供类的版本信息。这对于对象的序列化非常有用,它可以让我们识别出不同类定义版本中实例变量布局的改变(不太明白的作用。。。)

(5)objc_method_list:方法链表中存放的是该类的成员方法(-方法),类方法(+方法)存在meta-class的objc_method_list链表中(就是元类的“实例方法”)。

关于结构体指针 Method、Ivar的补充

(1)Method代表类中的某个方法的类型

 声明: typedef struct objc_method *Method;

 objc_method的定义如下:

    struct objc_method {
        SEL method_name                   OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法名
        char *method_types                OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法类型
        IMP method_imp                    OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法实现
    }

    方法名method_name类型为SEL。

     方法类型method_types是一个char指针,存储着方法的参数类型和返回值类型。

方法实现method_imp的类型为IMP

(2)Ivar代表类中实例变量的类型

声明:typedef struct objc_ivar *Ivar

   objc_ivar的定义如下:  

    struct objc_ivar {
        char *ivar_name                   OBJC2_UNAVAILABLE; // 变量名
        char *ivar_type                   OBJC2_UNAVAILABLE; // 变量类型
        int ivar_offset                   OBJC2_UNAVAILABLE; // 基地址偏移字节
  #ifdef __LP64__
   	int space                         OBJC2_UNAVAILABLE; // 占用空间
  #endif
    }

  

3、经典配图展示:oc对象继承模型

    

(1)上图的几个注意点

  • 注意竖直方向和虚线方向代表的不同意义
  • meta-class的isa指针指向的是root meta-class
  • root meta-class的isa指针指向的是其本身
  • root meta-class的super class指向的是root class(这里也是不明白意义所在。。)
  • root class的super class 指向的是nil

(2)举个方法查找过程的例子:

    调用respondsToSelector: 的时候,实例对象只需要根据其isa指针,找到其所属的class,然后遍历其methodLists,如果没有,那么根据这个类的super_class找到其父类,再看其父类是否能相应这个方法就可以了,直到super_class为nil时,就无法响应这个方法了,return NO。

(3)调用类方法的不同:

  当我们使用类名调用类方法(+方法)时,只需要根据class的isa指针,找到其meta-class,然后通过meta-class的methodLists找到相应的方法既可(“类”是“元类”的对象)。

三、消息机制

1、OC中调用一个方法的本质就是在给对象发送消息,比如初始化一个NSObject对象:

  NSObject *object = [[NSObject alloc] init];

事实上,在编译时这句话会翻译成一个C的函数调用,即:

  objc_msgSend(objc_msgSend([NSObject?class],@selector(alloc)),@selector(init));

看看官方文档:

2、关于消息执行的时机问题:

(1)思考:就如上文所述,OC的代码翻译成C的函数调用之后,就是把OC代码转换成C代码了,那OC的动态特性体现在哪里?不就和C的静态特性一样了么?

(2)回答:对于C语言,函数的调用在编译的时候就会去决定调用哪个函数。而OC是一种动态语言,它会尽可能的把代码执行的决策从编译和链接的时候,推迟到运行时。给一个对象发送的一个消息并不会立即执行,而是在运行的时候再去寻找他对应的实现。这样就可以把消息转发给你想要的对象,或者随意交换一个方法的实现之类的。

3、所有使用objc_msgSend函数,会执行以下步骤(也体现了objc_cache的作用)

(1)通过对象(类)的isa指针去找到他的class

(2)在class的method list 找到该消息的实现

(3)如果class中没有该消息的实现,就继续到它的super_class中去找

(4)一旦找到这个这个消息的实现,那么就去执行他的IMP(函数指针,代码所在空间)

4、常见的函数、头文件

(1) #import <objc/runtime.h> : 主要包括 成员变量、类、方法

  • class_copyIvarList :        获得某个类内部的所有成员变量
  • class_copyMethodList :  获得某个类内部的所有方法
  • class_getInstanceMethod : 获得某个实例方法(对象方法,减号-开头)
  • class_getClassMethod :  获得某个类方法(加号+开头)
  • class_addMethod  :   添加方法
  • class_addProperty :   为类添加属性
  • class_respondsToSelector:   类实例是否响应指定的selector
  • class_setSuperclass:  调整一个类的继承关系
  • class_replaceProperty:替换类的属性
  • class_replaceMethod:替换类的方法
  • ivar_getTypeEncoding : 获得成员变量的类型
  • ivar_getName :  获得成员变量名
  • method_exchangeImplementations :   交换2个方法的具体实现

(2) #import <objc/message.h> : 消息机制

  • objc_msgSend(....)

四、RunTime的使用实例

RunTime可以很灵活的实现改变系统的方法及属性的效果,灵活度之大以至于也造成了一些隐患 ——— 破坏了系统的封装及代码的可读性,所以大家还是谨慎使用,也不要在开发过程中给队友挖坑(不要问我怎么知道的。。。)

下面搜罗了一些常用的场景:

1、动态创建一个类

#import <objc/runtime.h>
// 自定义一个方法
void reportFunction (id self, SEL _cmd) {
 NSLog(@"This object is %p", self);
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
 @autoreleasepool {?? ? ? ?
 // 1.动态创建对象 创建一个Person 继承自 NSObject类
 Class newClass = objc_allocateClassPair([NSObject class], “Person”, 0);?
 // 为该类增加名为Report的方法
 class_addMethod(newClass, @selector(report), (IMP)reportFunction, @"[email protected]:");?? ? ? ?
 // 注册该类
 objc_registerClassPair(newClass);
 // 创建一个 Student 类的实例
 instantOfNewClass = [[newClass alloc] init];
 // 调用方法
 [instantOfNewClass report];
 }
 return 0;
}

2、关联对象(分类中动态添加成员变量)

(1)对象在内存中的排布可以看成是一个结构体,该结构体的大小并不能动态的变化,所以无法在运行时动态的给对象增加成员变量,但是我们可以通过关联对象的方法变相的给对象增加一个成员变量。

(2)比如,我们想给NSObject新增一个关联对象(就是添加成员变量):

创建一个NSObject的分类AssociatedObject,并声明一个新属性

@interface NSObject (AssociatedObject)
@property (nonatomic, strong) id associatedObject;?
@end
在NSObject+AssociatedObject.m文件里面进行关联
#import "NSObject+AssociatedObject.h"
#import <objc/runtime.h>
@implementation NSObject (AssociatedObject)
@dynamic associatedObject;
- (void)setAssociatedObject:(id)object {
 // 设置关联对象
 objc_setAssociatedObject(self, @selector(associatedObject), object, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}
- (id)associatedObject {
 // 得到关联对象
 return objc_getAssociatedObject(self, @selector(associatedObject));
}
@end

(3)我们可以通过上面的方法,给类动态的添加属性,不过我们更常用的是给一个类动态的添加block回调(想让这个类的实例实现什么业务逻辑,都可以通过赋值block,然后调用,来灵活的实现,使用起来也很方便,和添加属性类似)。

3、交换方法(可更改系统方法)

我们在开发过程中会遇到一种常见的错误:给数组元素赋值nil,系统会崩溃。下面我们参照这个案例,解释下runtime交换方法的实现

(1)先创建一个数组

    NSMutableArray *arrayM = [NSMutableArray array];
    [arrayM addObject:@"1111"];
    [arrayM addObject:@"2222"];
    [arrayM addObject:nil];  //这里会造成程序崩溃
    [arrayM addObject:@"33333"];

(2)交换方法,将系统的addObject和自定义的方法进行交换,我们先写一个NSMutableArray的分类,给其添加新的方法,然后在其中实现与系统方法交换。注意:“交换”不等同于“替换”

(3)这里有一个坑,addObject 实际上是 调用 insertObject :atIndex:方法, 并且在运行过程中,可以看到这个方法是_NSArrayM的方法(不是NSMutableArray的方法,这里有点像KVO的情况),所以我们要拿到_NSArrayM类,然后和它交换方法。可以参照下面的代码:NSClassFromString(@"__NSArrayM”)就是动态过程中获取这个类。

(4)代码实现

@implementation NSMutableArray (XL)

+ (void)initialize //补充下这个方法只执行一次,类比load方法都是执行一次,但是后者编译完就会执行
{
    //当前类被初始化的时候调用
    Method m1 = class_getInstanceMethod(NSClassFromString(@"__NSArrayM"), @selector(addObject:));
    Method m2 = class_getInstanceMethod(NSClassFromString(@"__NSArrayM"), @selector(new_AddObject:));

	//下面这样写也可以
	//Method m2 = class_getInstanceMethod([NSMutableArray class], @selector(new_AddObject:));

    method_exchangeImplementations(m1, m2);

}
- (void)new_AddObject:(id)objc
{
    if (objc == nil) {
        //这里的方法已经通过交换变成 addObject:
       [self new_AddObject:@"此处为空"];

    }else{
        [self new_AddObject:objc];
    }
}
@end

4、KVO的底层实现(自定义KVO)

(1)KVO的底层实现也是利用了RunTime机制,简单点说,KVO机制就是在运行时,动态派生出被检测对象的子类(NSKVONotifying_XXX),将被观察对象的isa指向该子类,然后在新子类中重写观察属性的set方法,接着在set方法里调用观察者的observeValueForKeyPath方法实现的监听机制(晕了吧,这就对了。。。看例子)

(2)给出示例(Person类就不写了,就一个属性age),在控制器中进行监测,下面代码执行结束,会显示监听到的age的变化

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad
{
    [super viewDidLoad];
    Person *p = [[HMPerson alloc] init];
    p.age = 20;
    self.p = p;

   //添加观察者
    [p addObserver:self forKeyPath:@"age" options:NSKeyValueObservingOptionOld | NSKeyValueObservingOptionNew context:nil];

    //属性改变了!
    p.age = 30;

}

- (void)dealloc
{
    [self.p removeObserver:self forKeyPath:@"age"];
}

- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary *)change context:(void *)context
{
    NSLog(@"%@对象的%@属性改变了:%@", object, keyPath, change);
}

@end

(3)分析上面的例子,系统在运行时动态的进行了四项操作:

<1> 生成了Person的子类 NSKVONotifying_Person

<2> 在该子类中重写了age的set方法

<3> 调用了观察者的 - (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary *)change context:(void *)context 方法

<4> 在p.age = 30 的时候,修改了对象中的isa指针,指向子类NSKVONotifying_Person,这样,在调用set方法的时候就会去子类的空间中寻找方法的地址并调用(很关键的一步,大家可以打断点验证)

(4)模拟KVO过程,我们手动创建一个子类:NSKVONotifying_Person,注意,此时运行会报出“坏内存”的错误,因为你的创建的类和系统自动生成的子类重名了(这也是一种验证KVO原理的方式)

#import "NSKVONotifying_Person.h"

    @implementation NSKVONotifying_HMPerson

    -(void)setAge:(int)age
    {
        //必须先调用父类的setAge方法,保证父类的set方法正常运行
        [super setAge:age];

        //伪代码,调用监听者的方法,实现监听到属性改变后的逻辑操作,并且传递参数
        [监听者  observeValueForKeyPath:@"age" ofObject:super change:@{ 监听属性的键值 } context:nil];

    }
    @end

5、模型归档(遍历成员属性的应用)

(1)Runtime可以动态获取成员属性名列表。

(2)下面代码中,Ivar表示的就是成员属性,ivars是指向属性的指针或者说地址(也可以理解为数组,但不是数组)。

(3)归档的实现可能会遇到对象中有很多属性,逐个手动去匹配归档哪些属性很麻烦,所以使用运行时,通过循环实现。

(4)代码示例:对于一个有很多属性的Person类,遵守了NSCoding协议之后,我们可以利用RunTime遍历模型对象的所有属性进行归档,关键代码如下:

// 利用runtime机制进行属性的归档接档
- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder {
 unsigned int count = 0;
 Ivar *ivars = class_copyIvarList([Person class], &count);
 for (int i = 0; i<count; i++) {
 // 取出i位置对应的成员变量
 Ivar ivar = ivars[i];
 // 查看成员变量
 const char *name = ivar_getName(ivar);
 // 归档
 NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name]; 

  //KVC 获得对象属性值
id value = [self valueForKey:key];
 [aCoder encodeObject:value forKey:key];
 }

 // 如果函数名中包含了copy\new\retain\create等字眼,那么这个函数返回的数据就需要手动释放
 free(ivars);
}
 
- (id)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder {
 self = [super init];
 if (self) {
 unsigned int count = 0;
 Ivar *ivars = class_copyIvarList([Person class], &count);
 for (int i = 0; i<count; i++) {
 // 取出i位置对应的成员变量
 Ivar ivar = ivars[i];
 // 查看成员变量
 const char *name = ivar_getName(ivar);
 // 归档
 NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name];
 id value = [aDecoder decodeObjectForKey:key];
 // 设置到成员变量身上
 [self setValue:value forKey:key];
 }
 free(ivars);
 }
 return self;
}

6、字典和对象模型之间的转换,例如MJExtension

(1)现在流行的很多字典转模型的框架,基本上都是利用Runtime原理实现(效率高):遍历模型属性列表—>根据获得的属性名作为key去字典中取出value —>然后用KVC给模型对象属性赋值

(2)这只是简单原理,框架中还包含了很多情况的判断,比如模型套模型的情况,这就需要检测成员属性的类型是否是对象类型,那就继续转模型。

(3)一个简单的示例代码

-(void)modelToolWithDict:(NSDictionary *)dict andModel:(Model*)model
{
    // Ivar : 成员变量
    unsigned int count = 0;
    // 获得所有的成员变量
    Ivar *ivars = class_copyIvarList([HMPerson class], &count);
    for (int i = 0; i<count; i++) {
        // 取得i位置的成员变量
        Ivar ivar = ivars[i];
        const char *name = ivar_getName(ivar);
        // 获得成员变量的类型,如果需要根据类型判断是否有模型嵌套,可以通过这个变量
        const char *type = ivar_getTypeEncoding(ivar);

        //获得字典中的值
        id value = dict[[NSString stringWithUTF8String:name]];

        //使用KVC给模型赋值(KVC底层也是Runtime)
        [model setValue:value forKeyPath:[NSString stringWithUTF8String:name]];

        NSLog(@"%d %s %s", i, name, type);
    }
}

7、避免数组越界

开发中,数组在访问时如果越界会造成崩溃,为了避免这种潜在的崩溃风险,我们可以采用多种方法“强制”它不越界,比如重写get方法进行内部判断,这里我们用Runtime来做一个比较彻底的解决。

(1)越界的情况:names数组有10个元素, 调用 self.names[10] ,崩溃 ;

这行代码的本质是: [self.names objectAtIndex:10],所以,我们用运行时进行这个方法的交换。

(2)添加如下分类,后面出现数组访问越界的情况,将返回nil;

(3)因为是在load方法中实现的交换,所以,程序启动内存中加载了这个分类后,自动执行交换,不需要导入任何头文件了。

(4)核心代码

@implementation NSArray(Extension)
+ (void)load
{
    Method otherMehtod = class_getInstanceMethod(class, otherSelector);
    Method originMehtod = class_getInstanceMethod(class, originSelector);
    // 交换2个方法的实现
    method_exchangeImplementations(otherMehtod, originMehtod);
}

- (id)new_ObjectAtIndex:(NSUInteger)index
{
    if (index < self.count) {
        return [self new_ObjectAtIndex:index];
    } else {
        return nil;
    }
}
@end

五、总结

1、Runtime是OC代码可以编译运行的关键,本身是纯C的函数库,它的存在赋予了OC动态特性。

2、Runtime提供的一系列方法,可以在程序运行时操作类以及它的方法和属性,使用Runtime进行代码构建,效率较高。

3、Runtime是底层运行机制,实际开发中我们使用Runtime的时候并不多,但是关键时刻,还是能很好的解决很多问题。

4、熟悉Runtime需要了解几项东西:

(1)OC的对象模型

(2)isa指针

(3)消息机制

5、Runtime水很深,各位请根据自己的水性选择区域。。。。。

参考:http://honglu.me/2014/12/29/浅谈OC运行时-RunTime/

   https://www.ianisme.com/ios/2019.html?sukey=ecafc0a7cc4a741bfade6848774c88b7eeefdecd843c4a6c6f7da7fc65d2ed4ef4a188f7f68ab13e9ee80007d7ffb919

时间: 05-13

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