iOS 開發：『Runtime』詳解（一）基礎知識

行走少年郎發表於2019-07-02

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文章連結：bujige.net/blog/iOS-Ru…

本文用來介紹 iOS開發中『Runtime』的基礎知識。通過本文您將瞭解到：

什麼是 Runtime？

訊息機制的基本原理

Runtime 中的概念解析

Runtime 訊息轉發

訊息傳送以及轉發機制總結

1. 什麼是 Runtime？

我們都知道，將原始碼轉換為可執行的程式，通常要經過三個步驟：編譯、連結、執行。不同的編譯語言，在這三個步驟中所進行的操作又有些不同。

C 語言 作為一門靜態類語言，在編譯階段就已經確定了所有變數的資料型別，同時也確定好了要呼叫的函式，以及函式的實現。

而 Objective-C 語言 是一門動態語言。在編譯階段並不知道變數的具體資料型別，也不知道所真正呼叫的哪個函式。只有在執行時間才檢查變數的資料型別，同時在執行時才會根據函式名查詢要呼叫的具體函式。這樣在程式沒執行的時候，我們並不知道呼叫一個方法具體會發生什麼。

Objective-C 語言 把一些決定性的工作從編譯階段、連結階段推遲到 執行時階段 的機制，使得 Objective-C 變得更加靈活。我們甚至可以在程式執行的時候，動態的去修改一個方法的實現，這也為大為流行的『熱更新』提供了可能性。

而實現 Objective-C 語言 執行時機制 的一切基礎就是 Runtime。

Runtime 實際上是一個庫，這個庫使我們可以在程式執行時動態的建立物件、檢查物件，修改類和物件的方法。

2. 訊息機制的基本原理

Objective-C 語言 中，物件方法呼叫都是類似 [receiver selector]; 的形式，其本質就是讓物件在執行時傳送訊息的過程。

我們來看看方法呼叫 [receiver selector]; 在『編譯階段』和『執行階段』分別做了什麼？

編譯階段：[receiver selector]; 方法被編譯器轉換為:
1. objc_msgSend(receiver，selector) （不帶引數）
2. objc_msgSend(recevier，selector，org1，org2，…)（帶引數）
執行時階段：訊息接受者 recever 尋找對應的 selector。
1. 通過 recevier 的 isa 指標 找到 recevier 的 Class（類）；
2. 在 Class（類） 的 cache（方法快取） 的雜湊表中尋找對應的 IMP（方法實現）；
3. 如果在 cache（方法快取） 中沒有找到對應的 IMP（方法實現） 的話，就繼續在 Class（類） 的 method list（方法列表） 中找對應的 selector，如果找到，填充到 cache（方法快取） 中，並返回 selector；
4. 如果在 Class（類） 中沒有找到這個 selector，就繼續在它的 superClass（父類）中尋找；
5. 一旦找到對應的 selector，直接執行 recever 對應 selector 方法實現的 IMP（方法實現）。
6. 若找不到對應的 selector，訊息被轉發或者臨時向 recever 新增這個 selector 對應的實現方法，否則就會發生崩潰。

在上述過程中涉及了好幾個新的概念：objc_msgSend、isa 指標、Class（類）、IMP（方法實現） 等，下面我們來具體講解一下各個概念的含義。

3. Runtime 中的概念解析

3.1 objc_msgSend

所有 Objective-C 方法呼叫在編譯時都會轉化為對 C 函式 objc_msgSend 的呼叫。objc_msgSend(receiver，selector); 是 [receiver selector]; 對應的 C 函式。

3.2 Class（類）

在 objc/runtime.h 中，Class（類） 被定義為指向 objc_class 結構體 的指標，objc_class 結構體 的資料結構如下：

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa;                                          // objc_class 結構體的例項指標

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class;                                 // 指向父類的指標
    const char * _Nonnull name;                                  // 類的名字
    long version;                                                // 類的版本資訊，預設為 0
    long info;                                                   // 類的資訊，供執行期使用的一些位標識
    long instance_size;                                          // 該類的例項變數大小;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars;                     // 該類的例項變數列表
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists; // 方法定義的列表
    struct objc_cache * _Nonnull cache;                          // 方法快取
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols;             // 遵守的協議列表
#endif

};
複製程式碼

從中可以看出，objc_class 結構體 定義了很多變數：自身的所有例項變數（ivars）、所有方法定義（methodLists）、遵守的協議列表（protocols）等。objc_class 結構體 存放的資料稱為 後設資料（metadata）。

objc_class 結構體 的第一個成員變數是 isa 指標，isa 指標 儲存的是所屬類的結構體的例項的指標，這裡儲存的就是 objc_class 結構體的例項指標，而例項換個名字就是物件。換句話說，Class（類） 的本質其實就是一個物件，我們稱之為 類物件。

3.3 Object（物件）

接下來，我們再來看看 objc/objc.h 中關於 Object（物件） 的定義。 Object（物件）被定義為 objc_object 結構體，其資料結構如下：

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa;       // objc_object 結構體的例項指標
};

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
複製程式碼

這裡的 id 被定義為一個指向 objc_object 結構體 的指標。從中可以看出 objc_object 結構體 只包含一個 Class 型別的 isa 指標。

換句話說，一個 Object（物件）唯一儲存的就是它所屬 Class（類） 的地址。當我們對一個物件，進行方法呼叫時，比如 [receiver selector];，它會通過 objc_object 結構體的 isa 指標 去找對應的 objc_class 結構體，然後在 objc_class 結構體 的 methodLists（方法列表） 中找到我們呼叫的方法，然後執行。

3.4 Meta Class（元類）

從上邊我們看出，物件（objc_object 結構體） 的 isa 指標 指向的是對應的 類物件（objc_class 結構體）。那麼 類物件（objc_class 結構體）的 isa 指標 又指向什麼呢？

objc_class 結構體 的 isa 指標 實際上指向的的是 類物件 自身的 Meta Class（元類）。

那麼什麼是 Meta Class（元類）？

Meta Class（元類） 就是一個類物件所屬的類。一個物件所屬的類叫做 類物件，而一個類物件所屬的類就叫做元類。

Runtime 中把類物件所屬型別就叫做 Meta Class（元類），用於描述類物件本身所具有的特徵，而在元類的 methodLists 中，儲存了類的方法連結串列，即所謂的「類方法」。並且類物件中的 isa 指標 指向的就是元類。每個類物件有且僅有一個與之相關的元類。

在 2. 訊息機制的基本原理 中我們講解了 物件方法的呼叫過程，我們是通過物件的 isa 指標 找到對應的 Class（類）；然後在 Class（類） 的 method list（方法列表） 中找對應的 selector 。

而 類方法的呼叫過程 和物件方法呼叫差不多，流程如下：

通過類物件 isa 指標 找到所屬的 Meta Class（元類）；
在 Meta Class（元類） 的 method list（方法列表） 中找到對應的 selector;
執行對應的 selector。

下面看一個示例：

NSString *testString = [NSString stringWithFormat:@"%d,%s",3, "test"];
複製程式碼

上邊的示例中，stringWithFormat: 被髮送給了 NSString 類，NSString 類 通過 isa 指標 找到 NSString 元類，然後在該元類的方法列表中找到對應的 stringWithFormat: 方法，然後執行該方法。

3.5 例項物件、類、元類之間的關係

上面，我們講解了 例項物件（Object）、類（Class）、Meta Class（元類） 的基本概念，以及簡單的指向關係。下面我們通過一張圖來清晰地表示出這種關係。

我們先來看 isa 指標：

水平方向上，每一級中的 例項物件 的 isa 指標 指向了對應的 類物件，而 類物件 的 isa 指標 指向了對應的 元類。而所有元類的 isa 指標 最終指向了 NSObject 元類，因此 NSObject 元類 也被稱為 根源類。
垂直方向上， 元類 的 isa 指標 和 父類元類 的 isa 指標 都指向了 根元類。而 根源類 的 isa 指標 又指向了自己。

我們再來看 父類指標：

類物件 的 父類指標 指向了 父類的類物件，父類的類物件 又指向了 根類的類物件，根類的類物件 最終指向了 nil。
元類 的 父類指標 指向了 父類物件的元類。父類物件的元類 的 父類指標指向了 根類物件的元類，也就是 根元類。而 根元類 的 父親指標 指向了 根類物件，最終指向了 nil。

3.6 方法（Method）

objc_class 結構體 的 methodLists（方法列表）中存放的元素就是 方法（Method）。

先來看下 objc/runtime.h 中，表示 方法（Method） 的 objc_method 結構體 的資料結構：

/// An opaque type that represents a method in a class definition.
/// 代表類定義中一個方法的不透明型別
typedef struct objc_method *Method;

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name;                    // 方法名
    char * _Nullable method_types;               // 方法型別
    IMP _Nonnull method_imp;                     // 方法實現
};
複製程式碼

可以看到，objc_method 結構體 中包含了 方法名（method_name），方法型別（method_types） 和 方法實現（method_imp）。下面，我們來了解下這三個變數。

SEL method_name; // 方法名

/// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;
複製程式碼

SEL 是一個指向 objc_selector 結構體 的指標，但是在 runtime 相關標頭檔案中並沒有找到明確的定義。不過，通過測試我們可以得出： SEL 只是一個儲存方法名的字串。

SEL sel = @selector(viewDidLoad);
NSLog(@"%s", sel);              // 輸出：viewDidLoad
SEL sel1 = @selector(test);
NSLog(@"%s", sel1);             // 輸出：test
複製程式碼

IMP method_imp; // 方法實現

/// A pointer to the function of a method implementation. 
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...); 
#endif
複製程式碼

IMP 的實質是一個函式指標，所指向的就是方法的實現。IMP用來找到函式地址，然後執行函式。

char * method_types; // 方法型別

方法型別 method_types 是個字串，用來儲存方法的引數型別和返回值型別。

到這裡， Method 的結構就已經很清楚了，Method 將 SEL（方法名） 和 IMP（函式指標） 關聯起來，當對一個物件傳送訊息時，會通過給出的 SEL（方法名） 去找到 IMP（函式指標） ，然後執行。

4. Runtime 訊息轉發

在 2. 訊息機制的基本原理 最後一步中我們提到：若找不到對應的 selector，訊息被轉發或者臨時向 recever 新增這個 selector 對應的實現方法，否則就會發生崩潰。

當一個方法找不到的時候，Runtime 提供了 訊息動態解析、訊息接受者重定向、訊息重定向 等三步處理訊息，具體流程如下圖所示：

4.1 訊息動態解析

Objective-C 執行時會呼叫 +resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod:，讓你有機會提供一個函式實現。我們可以通過重寫這兩個方法，新增其他函式實現，並返回 YES，那執行時系統就會重新啟動一次訊息傳送的過程。

主要用的的方法如下：

// 類方法未找到時調起，可以在此新增類方法實現
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel;
// 物件方法未找到時調起，可以在此物件方法實現
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel;

/** 
 * class_addMethod    向具有給定名稱和實現的類中新增新方法
 * @param cls         被新增方法的類
 * @param name        selector 方法名
 * @param imp         實現方法的函式指標
 * @param types imp   指向函式的返回值與引數型別
 * @return            如果新增方法成功返回 YES，否則返回 NO
 */
BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, 
                const char * _Nullable types);
複製程式碼

舉個例子：

#import "ViewController.h"
#include "objc/runtime.h"

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    // 執行 fun 函式
    [self performSelector:@selector(fun)];
}

// 重寫 resolveInstanceMethod: 新增物件方法實現
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(fun)) { // 如果是執行 fun 函式，就動態解析，指定新的 IMP
        class_addMethod([self class], sel, (IMP)funMethod, "v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

void funMethod(id obj, SEL _cmd) {
    NSLog(@"funMethod"); //新的 fun 函式
}

@end
複製程式碼

列印結果： 2019-06-12 10:25:39.848260+0800 runtime[14884:7977579] funMethod

從上邊的例子中，我們可以看出，雖然我們沒有實現 fun 方法，但是通過重寫 resolveInstanceMethod: ，利用 class_addMethod 方法新增物件方法實現 funMethod 方法，並執行。從列印結果來看，成功調起了funMethod 方法。

我們注意到 class_addMethod 方法中的特殊引數 v@:，具體可參考官方文件中關於 Type Encodings 的說明：傳送門

4.2 訊息接受者重定向

如果上一步中 +resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod: 沒有新增其他函式實現，執行時就會進行下一步：訊息接受者重定向。

如果當前物件實現了 -forwardingTargetForSelector:，Runtime 就會呼叫這個方法，允許我們將訊息的接受者轉發給其他物件。

用到的方法：

// 重定向方法的訊息接收者，返回一個類或例項物件
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;
複製程式碼

注意：這裡+resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod:無論是返回 YES，還是返回 NO，只要其中沒有新增其他函式實現，執行時都會進行下一步。

舉個例子：

#import "ViewController.h"
#include "objc/runtime.h"

@interface Person : NSObject

- (void)fun;

@end

@implementation Person

- (void)fun {
    NSLog(@"fun");
}

@end

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    // 執行 fun 方法
    [self performSelector:@selector(fun)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    return YES; // 為了進行下一步 訊息接受者重定向
}

// 訊息接受者重定向
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(fun)) {
        return [[Person alloc] init];
        // 返回 Person 物件，讓 Person 物件接收這個訊息
    }
    
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
複製程式碼

列印結果： 2019-06-12 17:34:05.027800+0800 runtime[19495:8232512] fun

可以看到，雖然當前 ViewController 沒有實現 fun 方法，+resolveInstanceMethod: 也沒有新增其他函式實現。但是我們通過 forwardingTargetForSelector 把當前 ViewController 的方法轉發給了 Person 物件去執行了。列印結果也證明我們成功實現了轉發。

我們通過 forwardingTargetForSelector 可以修改訊息的接收者，該方法返回引數是一個物件，如果這個物件是不是 nil，也不是 self，系統會將執行的訊息轉發給這個物件執行。否則，繼續進行下一步：訊息重定向流程。

4.3 訊息重定向

如果經過訊息動態解析、訊息接受者重定向，Runtime 系統還是找不到相應的方法實現而無法響應訊息，Runtime 系統會利用 -methodSignatureForSelector: 方法獲取函式的引數和返回值型別。

如果 -methodSignatureForSelector: 返回了一個 NSMethodSignature 物件（函式簽名），Runtime 系統就會建立一個 NSInvocation 物件，並通過 -forwardInvocation: 訊息通知當前物件，給予此次訊息傳送最後一次尋找 IMP 的機會。
如果 -methodSignatureForSelector: 返回 nil。則 Runtime 系統會發出 -doesNotRecognizeSelector: 訊息，程式也就崩潰了。

所以我們可以在 -forwardInvocation: 方法中對訊息進行轉發。

用到的方法：

// 獲取函式的引數和返回值型別，返回簽名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;

// 訊息重定向
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation；
複製程式碼

舉個例子：

#import "ViewController.h"
#include "objc/runtime.h"

@interface Person : NSObject

- (void)fun;

@end

@implementation Person

- (void)fun {
    NSLog(@"fun");
}

@end

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    // 執行 fun 函式
    [self performSelector:@selector(fun)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    return YES; // 為了進行下一步 訊息接受者重定向
}

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    return nil; // 為了進行下一步 訊息重定向
}

// 獲取函式的引數和返回值型別，返回簽名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"fun"]) {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
    }
    
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

// 訊息重定向
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    SEL sel = anInvocation.selector;   // 從 anInvocation 中獲取訊息
    
    Person *p = [[Person alloc] init];

    if([p respondsToSelector:sel]) {   // 判斷 Person 物件方法是否可以響應 sel
        [anInvocation invokeWithTarget:p];  // 若可以響應，則將訊息轉發給其他物件處理
    } else {
        [self doesNotRecognizeSelector:sel];  // 若仍然無法響應，則報錯：找不到響應方法
    }
}
@end
複製程式碼

列印結果： 2019-06-13 13:23:06.935624+0800 runtime[30032:8724248] fun

可以看到，我們在 -forwardInvocation: 方法裡面讓 Person 物件去執行了 fun 函式。

既然 -forwardingTargetForSelector: 和 -forwardInvocation: 都可以將訊息轉發給其他物件處理，那麼兩者的區別在哪？

區別就在於 -forwardingTargetForSelector: 只能將訊息轉發給一個物件。而 -forwardInvocation: 可以將訊息轉發給多個物件。

以上就是 Runtime 訊息轉發的整個流程。

結合之前講的 2. 訊息機制的基本原理，就構成了整個訊息傳送以及轉發的流程。下面我們來總結一下整個流程。

5. 訊息傳送以及轉發機制總結

呼叫 [receiver selector]; 後，進行的流程：

編譯階段：[receiver selector]; 方法被編譯器轉換為:
1. objc_msgSend(receiver，selector) （不帶引數）
2. objc_msgSend(recevier，selector，org1，org2，…)（帶引數）
執行時階段：訊息接受者 recever 尋找對應的 selector。
1. 通過 recevier 的 isa 指標 找到 recevier 的 class（類）；
2. 在 Class（類） 的 cache（方法快取） 的雜湊表中尋找對應的 IMP（方法實現）；
3. 如果在 cache（方法快取） 中沒有找到對應的 IMP（方法實現） 的話，就繼續在 Class（類） 的 method list（方法列表） 中找對應的 selector，如果找到，填充到 cache（方法快取） 中，並返回 selector；
4. 如果在 class（類） 中沒有找到這個 selector，就繼續在它的 superclass（父類）中尋找；
5. 一旦找到對應的 selector，直接執行 recever 對應 selector 方法實現的 IMP（方法實現）。
6. 若找不到對應的 selector，Runtime 系統進入訊息轉發機制。
執行時訊息轉發階段：
1. 動態解析：通過重寫 +resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod:方法，利用 class_addMethod方法新增其他函式實現；
2. 訊息接受者重定向：如果上一步新增其他函式實現，可在當前物件中利用 -forwardingTargetForSelector: 方法將訊息的接受者轉發給其他物件；
3. 訊息重定向：如果上一步沒有返回值為 nil，則利用 -methodSignatureForSelector:方法獲取函式的引數和返回值型別。
  1. 如果 -methodSignatureForSelector: 返回了一個 NSMethodSignature 物件（函式簽名），Runtime 系統就會建立一個 NSInvocation 物件，並通過 -forwardInvocation: 訊息通知當前物件，給予此次訊息傳送最後一次尋找 IMP 的機會。
  2. 如果 -methodSignatureForSelector: 返回 nil。則 Runtime 系統會發出 -doesNotRecognizeSelector: 訊息，程式也就崩潰了。

參考資料

以上就是 iOS 開發：『Runtime』詳解（一）：基礎知識 的所有內容了。整篇文章主要就講了一件事：訊息傳送以及轉發機制的原理和流程。這也是 Runtime 系統的工作原理。

下一篇筆者準備講一下『Runtime』的黑魔法 Method Swizzling。

iOS 開發：『Runtime』詳解系列文章：

尚未完成：

iOS 開發：『Runtime』詳解（五）Crash 防護系統
iOS 開發：『Runtime』詳解（六）Objective-C 2.0 結構解析
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iOS 開發：『Runtime』詳解（一）基礎知識

1. 什麼是 Runtime？

2. 訊息機制的基本原理

3. Runtime 中的概念解析

3.1 objc_msgSend

3.2 Class（類）

3.3 Object（物件）

3.4 Meta Class（元類）

3.5 例項物件、類、元類之間的關係

3.6 方法（Method）

4. Runtime 訊息轉發

4.1 訊息動態解析

4.2 訊息接受者重定向

4.3 訊息重定向

5. 訊息傳送以及轉發機制總結

參考資料

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