iOS底層原理:Runtime研究,玩出新花樣

Objective-C 擴充套件了 C 語言，並加入了物件導向特性和 Smalltalk 式的訊息傳遞機制。而這個擴充套件的核心是一個用 C 和 編譯語言 寫的 Runtime 庫。它是 Objective-C 物件導向和動態機制的基石。

Objective-C 是一個動態語言，這意味著它不僅需要一個編譯器，也需要一個執行時系統來動態得建立類和物件、進行訊息傳遞和轉發。理解 Objective-C 的 Runtime 機制可以幫我們更好的瞭解這個語言，適當的時候還能對語言進行擴充套件，從系統層面解決專案中的一些設計或技術問題。一句話: 學好Runtime , iOS躺著走

# Runtime Versions and Platforms

There are different versions of the Objective-C runtime on different platforms.

## Legacy and Modern Versions

There are two versions of the Objective-C runtime—“modern” and “legacy”. The modern version was introduced with Objective-C 2.0 and includes a number of new features. The programming interface for the legacy version of the runtime is described in *Objective-C 1 Runtime Reference*; the programming interface for the modern version of the runtime is described in *[Objective-C Runtime Reference](https://developer.apple.com/documentation/objectivec/objective_c_runtime)*.

The most notable new feature is that instance variables in the modern runtime are “non-fragile”: 

*   In the legacy runtime, if you change the layout of instance variables in a class, you must recompile classes that inherit from it.

*   In the modern runtime, if you change the layout of instance variables in a class, you do not have to recompile classes that inherit from it.

In addition, the modern runtime supports instance variable synthesis for declared properties (see [Declared Properties](https://developer.apple.com/library/archive/documentation/Cocoa/Conceptual/ObjectiveC/Chapters/ocProperties.html#//apple_ref/doc/uid/TP30001163-CH17) in *[The Objective-C Programming Language](https://developer.apple.com/library/archive/documentation/Cocoa/Conceptual/ObjectiveC/Introduction/introObjectiveC.html#//apple_ref/doc/uid/TP30001163)*).

## Platforms

iPhone applications and 64-bit programs on OS X v10.5 and later use the modern version of the runtime.

Other programs (32-bit programs on OS X desktop) use the legacy version of the runtime.

複製程式碼

Runtime其實有兩個版本: “modern” 和 “legacy”。我們現在用的 Objective-C 2.0 採用的是現行 (Modern) 版的 Runtime 系統，只能執行在 iOS 和 macOS 10.5 之後的 64 位程式中。而 macOS 較老的32位程式仍採用 Objective-C 1 中的（早期）Legacy 版本的 Runtime 系統。這兩個版本最大的區別在於當你更改一個類的例項變數的佈局時，在早期版本中你需要重新編譯它的子類，而現行版就不需要。

Runtime 基本是用 C 和彙編寫的，可見蘋果為了動態系統的高效而作出的努力。你可以在這裡下到蘋果維護的開原始碼。蘋果和GNU各自維護一個開源的 runtime/GNUStep 版本，這兩個版本之間都在努力的保持一致。

平時的業務中主要是使用官方Api，解決我們框架性的需求。

高階程式語言想要成為可執行檔案需要先編譯為組合語言再彙編為機器語言，機器語言也是計算機能夠識別的唯一語言，但是OC並不能直接編譯為組合語言，而是要先轉寫為純C語言再進行編譯和彙編的操作，從OC到C語言的過渡就是由runtime來實現的。然而我們使用OC進行物件導向開發，而C語言更多的是程式導向開發，這就需要將物件導向的類轉變為程式導向的結構體。

OK 我們先來看看與runtime 互動的三種方式:

• OC 原生底層就是runtime 會在後臺執行 比如方法的實質就是訊息 對於大多數情況下，OC執行時系統自動的在後臺執行。你只需編寫和編譯OC程式碼就能使用它。 當你編譯包含OC類和方法的程式碼時，編譯器建立用來實現語言動態特性的資料結構體和方法呼叫。資料結構獲取類和類定義的資訊和協議中定義的資訊，包含了在《The Objective-C Programming Language》中對“ Defining a Class and Protocols”談論的類和協議的物件，以及方法選擇，例項變數模版，和其他蔥原始碼中提取出來的資訊。執行時主要的一個功能是傳送訊息，正如在Messaging 中的描述。它是由原始碼的訊息表示式呼叫的。

• 通過呼叫NSObject的方法 間接呼叫runtime

+ (BOOL)isSubclassOfClass:(Class)aClass;
+ (BOOL)instancesRespondToSelector:(SEL)aSelector;
+ (BOOL)conformsToProtocol:(Protocol *)protocol;
- (IMP)methodForSelector:(SEL)aSelector;
+ (IMP)instanceMethodForSelector:(SEL)aSelector;
- (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector;
- (BOOL)isKindOfClass:(Class)aClass;
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)aClass;
- (BOOL)conformsToProtocol:(Protocol *)aProtocol;
- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector;

複製程式碼

這裡給大家解釋一下: 以上方法都是在執行時會編譯成響應的方法:比如- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector 我們看編譯會來到objc 的這裡

BOOL class_respondsToSelector(Class cls, SEL sel)
{
    return class_respondsToSelector_inst(cls, sel, nil);
}

//繼續跟蹤 看到回來到下面的方法 ,會去查詢當前sel 對應的imp是否存在
bool class_respondsToSelector_inst(Class cls, SEL sel, id inst)
{
    IMP imp;

    if (!sel  ||  !cls) return NO;

    // Avoids +initialize because it historically did so.
    // We're not returning a callable IMP anyway.
    imp = lookUpImpOrNil(cls, sel, inst, 
                         NO/*initialize*/, YES/*cache*/, YES/*resolver*/);
    return bool(imp);
}

//下面這裡就是真正去查詢imp的方法,我會在注重介紹一下
IMP lookUpImpOrNil(Class cls, SEL sel, id inst, 
                   bool initialize, bool cache, bool resolver)
{
    IMP imp = lookUpImpOrForward(cls, sel, inst, initialize, cache, resolver);
    if (imp == _objc_msgForward_impcache) return nil;
    else return imp;
}

複製程式碼

上面的兩部跳動,都是給下面的方法做鋪墊的,下面的方法也runtime非常重要的方法,下面我們花點篇幅介紹一下

IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst, 
                       bool initialize, bool cache, bool resolver)
{
    IMP imp = nil;
    bool triedResolver = NO;

    runtimeLock.assertUnlocked();

    // 如果cache是YES，則從快取中查詢IMP。
    if (cache) {
        // 通過cache_getImp函式查詢IMP，查詢到則返回IMP並結束呼叫
        imp = cache_getImp(cls, sel);
        if (imp) return imp;
    }

    runtimeLock.read();

    // 判斷類是否已經被建立，如果沒有被建立，則將類例項化
    if (!cls->isRealized()) {
        // Drop the read-lock and acquire the write-lock.
        // realizeClass() checks isRealized() again to prevent
        // a race while the lock is down.
        runtimeLock.unlockRead();
        runtimeLock.write();

        // 對類進行例項化操作
        realizeClass(cls);

        runtimeLock.unlockWrite();
        runtimeLock.read();
    }

    // 第一次呼叫當前類的話，執行initialize的程式碼
    if (initialize  &&  !cls->isInitialized()) {
        runtimeLock.unlockRead();
        // 對類進行初始化，並開闢記憶體空間
        _class_initialize (_class_getNonMetaClass(cls, inst));
        runtimeLock.read();
        // If sel == initialize, _class_initialize will send +initialize and 
        // then the messenger will send +initialize again after this 
        // procedure finishes. Of course, if this is not being called 
        // from the messenger then it won't happen. 2778172
    }

 retry:    
    runtimeLock.assertReading();

    // 嘗試獲取這個類的快取
    imp = cache_getImp(cls, sel);
    if (imp) goto done;

    {
        // 如果沒有從cache中查詢到，則從方法列表中獲取Method
        Method meth = getMethodNoSuper_nolock(cls, sel);
        if (meth) {
            // 如果獲取到對應的Method，則加入快取並從Method獲取IMP
            log_and_fill_cache(cls, meth->imp, sel, inst, cls);
            imp = meth->imp;
            goto done;
        }
    }

    // Try superclass caches and method lists.
    {
        unsigned attempts = unreasonableClassCount();
        // 迴圈獲取這個類的快取IMP 或 方法列表的IMP
        for (Class curClass = cls->superclass;
             curClass != nil;
             curClass = curClass->superclass)
        {
            // Halt if there is a cycle in the superclass chain.
            if (--attempts == 0) {
                _objc_fatal("Memory corruption in class list.");
            }

            // Superclass cache.
            // 獲取父類快取的IMP
            imp = cache_getImp(curClass, sel);
            if (imp) {
                if (imp != (IMP)_objc_msgForward_impcache) {
                    // Found the method in a superclass. Cache it in this class.
                    // 如果發現父類的方法，並且不再快取中，在下面的函式中快取方法
                    log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass);
                    goto done;
                }
                else {
                    // Found a forward:: entry in a superclass.
                    // Stop searching, but don't cache yet; call method 
                    // resolver for this class first.
                    break;
                }
            }

            // Superclass method list.
            // 在父類的方法列表中，獲取method_t物件。如果找到則快取查詢到的IMP
            Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
            if (meth) {
                log_and_fill_cache(cls, meth->imp, sel, inst, curClass);
                imp = meth->imp;
                goto done;
            }
        }
    }

    // No implementation found. Try method resolver once.

    // 如果沒有找到，則嘗試動態方法解析
    if (resolver  &&  !triedResolver) {
        runtimeLock.unlockRead();
        _class_resolveMethod(cls, sel, inst);
        runtimeLock.read();
        // Don't cache the result; we don't hold the lock so it may have 
        // changed already. Re-do the search from scratch instead.
        triedResolver = YES;
        goto retry;
    }

    // No implementation found, and method resolver didn't help. 
    // Use forwarding.

    // 如果沒有IMP被發現，並且動態方法解析也沒有處理，則進入訊息轉發階段
    imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache;
    cache_fill(cls, sel, imp, inst);

 done:
    runtimeLock.unlockRead();

    return imp;
}

複製程式碼

lookUpImpOrForward這個方法裡面篇幅很長裡面介紹了以下幾點:

• 如果cache是YES，則從快取中查詢IMP。這裡也就是說我們如果之前響應過的,在cache存過,就不需要下面的操作了
• 判斷類是否已經被建立，如果沒有被建立，則將類例項化
• 第一次呼叫當前類的話，執行initialize的程式碼
• 嘗試獲取這個類的快取 (這裡很多小夥伴就會質疑,為什麼還要取一次記憶體,要知道OC是動態語言,在我們執行這個獲取imp的時候,外界在開鎖,解鎖的時候是可以訪問的,動態操作)
• 如果沒有從cache中查詢到，則從方法列表中獲取Method
• 如果還沒有,就從父類快取或者方法列表獲取imp
• 如果沒有找到，則嘗試動態方法解析
• 如果沒有IMP被發現，並且動態方法解析也沒有處理，則進入訊息轉發階段

裡面還有關於runtimeLock執行時鎖,這裡加鎖了read()對讀取,其中runtimeLock是通過pthread_rwlock_t實現的,更加底層的,大家如果感興趣鎖可以參考這篇互斥鎖-讀寫鎖-條件鎖

以上設計了訊息,動態方法解析,還有訊息轉發,我們在接下來的篇幅中還會更加深入研究.我們繼續回來,第三種runtime互動

• 直接呼叫runtime的API

根據本文章特地收集了一個教程 Runtime及時詳解 需要的話可以關注公眾號獲取