摘要
無論一個類設計的多麼完美，在未來的需求演進中，都有可能會碰到一些無法預測的情況。那怎麼擴充套件已有的類呢？一般而言，繼承和組合是不錯的選擇。但是在Objective-C 2.0中，又提供了category這個語言特性，可以動態地為已有類新增新行為。如今category已經遍佈於Objective-C程式碼的各個角落，從Apple官方的framework到各個開源框架，從功能繁複的大型APP到簡單的應用，catagory無處不在。本文對category做了比較全面的整理，希望對讀者有所裨益。
簡介
本文作者來自美團酒店旅遊事業群iOS研發組。我們致力於創造價值、提升效率、追求卓越。歡迎大家加入我們（簡歷請傳送到郵箱majia03@meituan.com）。
本文系學習Objective-C的runtime原始碼時整理所成，主要剖析了category在runtime層的實現原理以及和category相關的方方面面，內容包括：
- 初入寶地-category簡介
- 連類比事-category和extension
- 挑燈細覽-category真面目
- 追本溯源-category如何載入
- 旁枝末葉-category和+load方法
- 觸類旁通-category和方法覆蓋
- 更上一層-category和關聯物件
1、初入寶地-category簡介
category是Objective-C 2.0之後新增的語言特性，category的主要作用是為已經存在的類新增方法。除此之外，apple還推薦了category的另外兩個使用場景1
- 可以把類的實現分開在幾個不同的檔案裡面。這樣做有幾個顯而易見的好處，a)可以減少單個檔案的體積 b)可以把不同的功能組織到不同的category裡 c)可以由多個開發者共同完成一個類 d)可以按需載入想要的category 等等。
- 宣告私有方法
不過除了apple推薦的使用場景，廣大開發者腦洞大開，還衍生出了category的其他幾個使用場景：
- 模擬多繼承
- 把framework的私有方法公開
Objective-C的這個語言特性對於純動態語言來說可能不算什麼，比如javascript，你可以隨時為一個“類”或者物件新增任意方法和例項變數。但是對於不是那麼“動態”的語言而言，這確實是一個了不起的特性。
2、連類比事-category和extension
extension看起來很像一個匿名的category，但是extension和有名字的category幾乎完全是兩個東西。 extension在編譯期決議，它就是類的一部分，在編譯期和標頭檔案裡的@interface以及實現檔案裡的@implement一起形成一個完整的類，它伴隨類的產生而產生，亦隨之一起消亡。extension一般用來隱藏類的私有資訊，你必須有一個類的原始碼才能為一個類新增extension，所以你無法為系統的類比如NSString新增extension。（詳見2）
但是category則完全不一樣，它是在執行期決議的。
就category和extension的區別來看，我們可以推匯出一個明顯的事實，extension可以新增例項變數，而category是無法新增例項變數的（因為在執行期，物件的記憶體佈局已經確定，如果新增例項變數就會破壞類的內部佈局，這對編譯型語言來說是災難性的）。
3、挑燈細覽-category真面目
我們知道，所有的OC類和物件，在runtime層都是用struct表示的，category也不例外，在runtime層，category用結構體category_t（在objc-runtime-new.h中可以找到此定義），它包含了
1)、類的名字（name）
2)、類（cls）
3)、category中所有給類新增的例項方法的列表（instanceMethods）
4)、category中所有新增的類方法的列表（classMethods）
5)、category實現的所有協議的列表（protocols）
6)、category中新增的所有屬性（instanceProperties）
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typedef struct category_t { const char *name; classref_t cls; struct method_list_t *instanceMethods; struct method_list_t *classMethods; struct protocol_list_t *protocols; struct property_list_t *instanceProperties; } category_t; |
從category的定義也可以看出category的可為（可以新增例項方法，類方法，甚至可以實現協議，新增屬性）和不可為（無法新增例項變數）。
ok，我們先去寫一個category看一下category到底為何物：
MyClass.h：
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#import <Foundation/Foundation.h> @interface MyClass : NSObject - (void)printName; @end @interface MyClass(MyAddition) @property(nonatomic, copy) NSString *name; - (void)printName; @end |
MyClass.m：
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#import "MyClass.h" @implementation MyClass - (void)printName { NSLog(@"%@",@"MyClass"); } @end @implementation MyClass(MyAddition) - (void)printName { NSLog(@"%@",@"MyAddition"); } @end |
我們使用clang的命令去看看category到底會變成什麼：
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1 |
clang -rewrite-objc MyClass.m |
好吧，我們得到了一個3M大小，10w多行的.cpp檔案（這絕對是Apple值得吐槽的一點），我們忽略掉所有和我們無關的東西，在檔案的最後，我們找到了如下程式碼片段：
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static struct /*_method_list_t*/ { unsigned int entsize; // sizeof(struct _objc_method) unsigned int method_count; struct _objc_method method_list[1]; } _OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = { sizeof(_objc_method), 1, {{(struct objc_selector *)"printName", "v16@0:8", (void *)_I_MyClass_MyAddition_printName}} }; static struct /*_prop_list_t*/ { unsigned int entsize; // sizeof(struct _prop_t) unsigned int count_of_properties; struct _prop_t prop_list[1]; } _OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = { sizeof(_prop_t), 1, {{"name","T@"NSString",C,N"}} }; extern "C" __declspec(dllexport) struct _class_t OBJC_CLASS_$_MyClass; static struct _category_t _OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = { "MyClass", 0, // &OBJC_CLASS_$_MyClass, (const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition, 0, 0, (const struct _prop_list_t *)&_OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition, }; static void OBJC_CATEGORY_SETUP_$_MyClass_$_MyAddition(void ) { _OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition.cls = &OBJC_CLASS_$_MyClass; } #pragma section(".objc_inithooks$B", long, read, write) __declspec(allocate(".objc_inithooks$B")) static void *OBJC_CATEGORY_SETUP[] = { (void *)&OBJC_CATEGORY_SETUP_$_MyClass_$_MyAddition, }; static struct _class_t *L_OBJC_LABEL_CLASS_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_classlist,regular,no_dead_strip")))= { &OBJC_CLASS_$_MyClass, }; static struct _class_t *_OBJC_LABEL_NONLAZY_CLASS_$[] = { &OBJC_CLASS_$_MyClass, }; static struct _category_t *L_OBJC_LABEL_CATEGORY_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_catlist,regular,no_dead_strip")))= { &_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition, }; |
我們可以看到，
1)、首先編譯器生成了例項方法列表OBJC$_CATEGORY_INSTANCE_METHODSMyClass$_MyAddition和屬性列表OBJC$_PROP_LISTMyClass$_MyAddition，兩者的命名都遵循了公共字首+類名+category名字的命名方式，而且例項方法列表裡面填充的正是我們在MyAddition這個category裡面寫的方法printName，而屬性列表裡面填充的也正是我們在MyAddition裡新增的name屬性。還有一個需要注意到的事實就是category的名字用來給各種列表以及後面的category結構體本身命名，而且有static來修飾，所以在同一個編譯單元裡我們的category名不能重複，否則會出現編譯錯誤。
2)、其次，編譯器生成了category本身OBJC$_CATEGORYMyClass$_MyAddition，並用前面生成的列表來初始化category本身。
3)、最後，編譯器在DATA段下的objc_catlist section裡儲存了一個大小為1的category_t的陣列L_OBJC_LABELCATEGORY$（當然，如果有多個category，會生成對應長度的陣列^_^），用於執行期category的載入。
到這裡，編譯器的工作就接近尾聲了，對於category在執行期怎麼載入，我們下節揭曉。
4、追本溯源-category如何載入
我們知道，Objective-C的執行是依賴OC的runtime的，而OC的runtime和其他系統庫一樣，是OS X和iOS通過dyld動態載入的。
想了解更多dyld地同學可以移步這裡（3）。
對於OC執行時，入口方法如下（在objc-os.mm檔案中）：
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void _objc_init(void) { static bool initialized = false; if (initialized) return; initialized = true; // fixme defer initialization until an objc-using image is found? environ_init(); tls_init(); lock_init(); exception_init(); // Register for unmap first, in case some +load unmaps something _dyld_register_func_for_remove_image(&unmap_image); dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_bound, 1/*batch*/, &map_images); dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_dependents_initialized, 0/*not batch*/, &load_images); } |
category被附加到類上面是在map_images的時候發生的，在new-ABI的標準下，_objc_init裡面的呼叫的map_images最終會呼叫objc-runtime-new.mm裡面的_read_images方法，而在_read_images方法的結尾，有以下的程式碼片段：
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// Discover categories. for (EACH_HEADER) { category_t **catlist = _getObjc2CategoryList(hi, &count); for (i = 0; i category_t *cat = catlist[i]; class_t *cls = remapClass(cat->cls); if (!cls) { // Category's target class is missing (probably weak-linked). // Disavow any knowledge of this category. catlist[i] = NULL; if (PrintConnecting) { _objc_inform("CLASS: IGNORING category ???(%s) %p with " "missing weak-linked target class", cat->name, cat); } continue; } // Process this category. // First, register the category with its target class. // Then, rebuild the class's method lists (etc) if // the class is realized. BOOL classExists = NO; if (cat->instanceMethods || cat->protocols || cat->instanceProperties) { addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi); if (isRealized(cls)) { remethodizeClass(cls); classExists = YES; } if (PrintConnecting) { _objc_inform("CLASS: found category -%s(%s) %s", getName(cls), cat->name, classExists ? "on existing class" : ""); } } if (cat->classMethods || cat->protocols /* || cat->classProperties */) { addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->isa, hi); if (isRealized(cls->isa)) { remethodizeClass(cls->isa); } if (PrintConnecting) { _objc_inform("CLASS: found category +%s(%s)", getName(cls), cat->name); } } } } |
首先，我們拿到的catlist就是上節中講到的編譯器為我們準備的category_t陣列，關於是如何載入catlist本身的，我們暫且不表，這和category本身的關係也不大，有興趣的同學可以去研究以下Apple的二進位制格式和load機制。
略去PrintConnecting這個用於log的東西，這段程式碼很容易理解：
1)、把category的例項方法、協議以及屬性新增到類上
2)、把category的類方法和協議新增到類的metaclass上
值得注意的是，在程式碼中有一小段註釋 / || cat->classProperties /，看來蘋果有過給類新增屬性的計劃啊。
ok，我們接著往裡看，category的各種列表是怎麼最終新增到類上的，就拿例項方法列表來說吧：
在上述的程式碼片段裡，addUnattachedCategoryForClass只是把類和category做一個關聯對映，而remethodizeClass才是真正去處理新增事宜的功臣。
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static void remethodizeClass(class_t *cls) { category_list *cats; BOOL isMeta; rwlock_assert_writing(&runtimeLock); isMeta = isMetaClass(cls); // Re-methodizing: check for more categories if ((cats = unattachedCategoriesForClass(cls))) { chained_property_list *newproperties; const protocol_list_t **newprotos; if (PrintConnecting) { _objc_inform("CLASS: attaching categories to class '%s' %s", getName(cls), isMeta ? "(meta)" : ""); } // Update methods, properties, protocols BOOL vtableAffected = NO; attachCategoryMethods(cls, cats, &vtableAffected); newproperties = buildPropertyList(NULL, cats, isMeta); if (newproperties) { newproperties->next = cls->data()->properties; cls->data()->properties = newproperties; } newprotos = buildProtocolList(cats, NULL, cls->data()->protocols); if (cls->data()->protocols & cls->data()->protocols != newprotos) { _free_internal(cls->data()->protocols); } cls->data()->protocols = newprotos; _free_internal(cats); // Update method caches and vtables flushCaches(cls); if (vtableAffected) flushVtables(cls); } } |
而對於新增類的例項方法而言，又會去呼叫attachCategoryMethods這個方法，我們去看下attachCategoryMethods：
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static void attachCategoryMethods(class_t *cls, category_list *cats, BOOL *inoutVtablesAffected) { if (!cats) return; if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats); BOOL isMeta = isMetaClass(cls); method_list_t **mlists = (method_list_t **) _malloc_internal(cats->count * sizeof(*mlists)); // Count backwards through cats to get newest categories first int mcount = 0; int i = cats->count; BOOL fromBundle = NO; while (i--) { method_list_t *mlist = cat_method_list(cats->list[i].cat, isMeta); if (mlist) { mlists[mcount++] = mlist; fromBundle |= cats->list[i].fromBundle; } } attachMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle, inoutVtablesAffected); _free_internal(mlists); } |
attachCategoryMethods做的工作相對比較簡單，它只是把所有category的例項方法列表拼成了一個大的例項方法列表，然後轉交給了attachMethodLists方法（我發誓，這是本節我們看的最後一段程式碼了^_^），這個方法有點長，我們只看一小段：
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for (uint32_t m = 0; (scanForCustomRR || scanForCustomAWZ) && m < mlist->count; m++) { SEL sel = method_list_nth(mlist, m)->name; if (scanForCustomRR && isRRSelector(sel)) { cls->setHasCustomRR(); scanForCustomRR = false; } else if (scanForCustomAWZ && isAWZSelector(sel)) { cls->setHasCustomAWZ(); scanForCustomAWZ = false; } } // Fill method list array newLists[newCount++] = mlist; . . . // Copy old methods to the method list array for (i = 0; i < oldCount; i++) { newLists[newCount++] = oldLists[i]; } |
需要注意的有兩點：
1)、category的方法沒有“完全替換掉”原來類已經有的方法，也就是說如果category和原來類都有methodA，那麼category附加完成之後，類的方法列表裡會有兩個methodA
2)、category的方法被放到了新方法列表的前面，而原來類的方法被放到了新方法列表的後面，這也就是我們平常所說的category的方法會“覆蓋”掉原來類的同名方法，這是因為執行時在查詢方法的時候是順著方法列表的順序查詢的，它只要一找到對應名字的方法，就會罷休^_^，殊不知後面可能還有一樣名字的方法。
5、旁枝末葉-category和+load方法
我們知道，在類和category中都可以有+load方法，那麼有兩個問題：
1)、在類的+load方法呼叫的時候，我們可以呼叫category中宣告的方法麼？
2)、這麼些個+load方法，呼叫順序是咋樣的呢？
鑑於上述幾節我們看的程式碼太多了，對於這兩個問題我們先來看一點直觀的：
我們的程式碼裡有MyClass和MyClass的兩個category （Category1和Category2），MyClass和兩個category都新增了+load方法，並且Category1和Category2都寫了MyClass的printName方法。
在Xcode中點選Edit Scheme，新增如下兩個環境變數（可以在執行load方法以及載入category的時候列印log資訊，更多的環境變數選項可參見objc-private.h）:
執行專案，我們會看到控制檯列印很多東西出來，我們只找到我們想要的資訊，順序如下：
objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category1
objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category2
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objc[1187]: LOAD: class ‘MyClass’ scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: category ‘MyClass(Category1)’ scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: category ‘MyClass(Category2)’ scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: +[MyClass load]
.
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objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category1) load]
.
.
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objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category2) load]
所以，對於上面兩個問題，答案是很明顯的：
1)、可以呼叫，因為附加category到類的工作會先於+load方法的執行
2)、+load的執行順序是先類，後category，而category的+load執行順序是根據編譯順序決定的。
目前的編譯順序是這樣的：
我們調整一個Category1和Category2的編譯順序，run。ok，我們可以看到控制檯的輸出順序變了：
objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category2
objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category1
.
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objc[1187]: LOAD: class ‘MyClass’ scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: category ‘MyClass(Category2)’ scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: category ‘MyClass(Category1)’ scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: +[MyClass load]
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objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category2) load]
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objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category1) load]
雖然對於+load的執行順序是這樣，但是對於“覆蓋”掉的方法，則會先找到最後一個編譯的category裡的對應方法。
這一節我們只是用很直觀的方式得到了問題的答案，有興趣的同學可以繼續去研究一下OC的執行時程式碼。
6、觸類旁通-category和方法覆蓋
鑑於上面幾節我們已經把原理都講了，這一節只有一個問題:
怎麼呼叫到原來類中被category覆蓋掉的方法？
對於這個問題，我們已經知道category其實並不是完全替換掉原來類的同名方法，只是category在方法列表的前面而已，所以我們只要順著方法列表找到最後一個對應名字的方法，就可以呼叫原來類的方法：
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Class currentClass = [MyClass class]; MyClass *my = [[MyClass alloc] init]; if (currentClass) { unsigned int methodCount; Method *methodList = class_copyMethodList(currentClass, &methodCount); IMP lastImp = NULL; SEL lastSel = NULL; for (NSInteger i = 0; i NSString *methodName = [NSString stringWithCString:sel_getName(method_getName(method)) encoding:NSUTF8StringEncoding]; if ([@"printName" isEqualToString:methodName]) { lastImp = method_getImplementation(method); lastSel = method_getName(method); } } typedef void (*fn)(id,SEL); if (lastImp != NULL) { fn f = (fn)lastImp; f(my,lastSel); } free(methodList); } |
7、更上一層-category和關聯物件
如上所見，我們知道在category裡面是無法為category新增例項變數的。但是我們很多時候需要在category中新增和物件關聯的值，這個時候可以求助關聯物件來實現。
MyClass+Category1.h:
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#import "MyClass.h" @interface MyClass (Category1) @property(nonatomic,copy) NSString *name; @end |
MyClass+Category1.m:
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#import "MyClass+Category1.h" |
#import <objc/runtime.h>
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@implementation MyClass (Category1) + (void)load { NSLog(@"%@",@"load in Category1"); } - (void)setName:(NSString *)name { objc_setAssociatedObject(self, "name", name, OBJC_ASSOCIATION_COPY); } - (NSString*)name { NSString *nameObject = objc_getAssociatedObject(self, "name"); return nameObject; } @end |
但是關聯物件又是存在什麼地方呢？ 如何儲存？ 物件銷燬時候如何處理關聯物件呢？
我們去翻一下runtime的原始碼，在objc-references.mm檔案中有個方法_object_set_associative_reference：
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void _object_set_associative_reference(id object, void *key, id value, uintptr_t policy) { // retain the new value (if any) outside the lock. ObjcAssociation old_association(0, nil); id new_value = value ? acquireValue(value, policy) : nil; { AssociationsManager manager; AssociationsHashMap &associations(manager.associations()); disguised_ptr_t disguised_object = DISGUISE(object); if (new_value) { // break any existing association. AssociationsHashMap::iterator i = associations.find(disguised_object); if (i != associations.end()) { // secondary table exists ObjectAssociationMap *refs = i->second; ObjectAssociationMap::iterator j = refs->find(key); if (j != refs->end()) { old_association = j->second; j->second = ObjcAssociation(policy, new_value); } else { (*refs)[key] = ObjcAssociation(policy, new_value); } } else { // create the new association (first time). ObjectAssociationMap *refs = new ObjectAssociationMap; associations[disguised_object] = refs; (*refs)[key] = ObjcAssociation(policy, new_value); _class_setInstancesHaveAssociatedObjects(_object_getClass(object)); } } else { // setting the association to nil breaks the association. AssociationsHashMap::iterator i = associations.find(disguised_object); if (i != associations.end()) { ObjectAssociationMap *refs = i->second; ObjectAssociationMap::iterator j = refs->find(key); if (j != refs->end()) { old_association = j->second; refs->erase(j); } } } } // release the old value (outside of the lock). if (old_association.hasValue()) ReleaseValue()(old_association); } |
我們可以看到所有的關聯物件都由AssociationsManager管理，而AssociationsManager定義如下：
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class AssociationsManager { static OSSpinLock _lock; static AssociationsHashMap *_map; // associative references: object pointer -> PtrPtrHashMap. public: AssociationsManager() { OSSpinLockLock(&_lock); } ~AssociationsManager() { OSSpinLockUnlock(&_lock); } AssociationsHashMap &associations() { if (_map == NULL) _map = new AssociationsHashMap(); return *_map; } }; |
AssociationsManager裡面是由一個靜態AssociationsHashMap來儲存所有的關聯物件的。這相當於把所有物件的關聯物件都存在一個全域性map裡面。而map的的key是這個物件的指標地址（任意兩個不同物件的指標地址一定是不同的），而這個map的value又是另外一個AssociationsHashMap，裡面儲存了關聯物件的kv對。
而在物件的銷燬邏輯裡面，見objc-runtime-new.mm:
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void *objc_destructInstance(id obj) { if (obj) { Class isa_gen = _object_getClass(obj); class_t *isa = newcls(isa_gen); // Read all of the flags at once for performance. bool cxx = hasCxxStructors(isa); bool assoc = !UseGC & _class_instancesHaveAssociatedObjects(isa_gen); // This order is important. if (cxx) object_cxxDestruct(obj); if (assoc) _object_remove_assocations(obj); if (!UseGC) objc_clear_deallocating(obj); } return obj; } |
嗯，runtime的銷燬物件函式objc_destructInstance裡面會判斷這個物件有沒有關聯物件，如果有，會呼叫_object_remove_assocations做關聯物件的清理工作。
後記
正如侯捷先生所講-“原始碼面前，了無祕密”，Apple的Cocoa Touch框架雖然並不開源，但是Objective-C的runtime和Core Foundation卻是完全開放原始碼的(在http://www.opensource.apple.com/tarballs/可以下載到全部的開原始碼)。
本系列runtime原始碼學習將會持續更新，意猶未盡的同學可以自行到上述網站下載原始碼學習。行筆簡陋，如有錯誤，望指正。