本文從一個崩潰問題談起，然后逐步深入，探討下runtime的細節和使用，主要涉及到的知識點如下：
- objc_msgSend的實現原理
- isa指針
- 類和元類
- object_getClass(obj)與[obj class]的區別
崩潰代碼
我們先來看看兩段代碼，第一段代碼主要是展示[self class ]和[super class]的區別，第二段代碼會在第一段代碼的基礎上進一步探討他們的區別，然后就為什么會引起崩潰做進一步探討，這會涉及到上面的四個runtime相關的知識點
第一段代碼
#import "father.h"
@interface son : father
@end
#import "son.h"
@implementation son
-(instancetype)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder{
if (self = [super initWithCoder:aDecoder]) {
NSLog(@"self class-->%@",[self class]);
NSLog(@"super class-->%@",[super class]);
}
return self;
}
@end
輸出：
2016-08-09 09:42:40.152 test1[33870:252634] self class-->son
2016-08-09 09:42:40.153 test1[33870:252634] super class-->son
分析：
根據其他語言的經驗，我們想當然會認為self class是son，super class是father。但是輸出的卻都是一樣的，都是son。這是因為oc一切方法的本質都是消息的發送和接受，是動態的，不能按照字面意思理解。具體的我們后面再進一步探討。
第二段代碼：
#import <UIKit/UIKit.h>
@interface father : UIViewController
@property(nonatomic,strong) NSString * name;
@end
=====================================
#import "father.h"
@implementation father
-(instancetype)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder{
if (self =[super initWithCoder:aDecoder]) {
self.name = @"";
}
return self;
}
-(void)setName:(NSString *)name{
NSLog(@"%s，%@", __PRETTY_FUNCTION__, @"不會調用這個方法");
_name = name;
}
@end
#import "father.h"
@interface son : father
@end
===================================
#import "son.h"
@implementation son
-(instancetype)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder{
if (self = [super initWithCoder:aDecoder]) {
NSLog(@"self class-->%@",[self class]);
NSLog(@"super class-->%@",[super class]);
}
return self;
}
-(void)setName:(NSString *)name{
NSLog(@"%s，%@", __PRETTY_FUNCTION__, @"會調用這個方法");
if ([name isEqualToString:@""]){
[NSException raise:NSInvalidArgumentException format:@"姓名不能為空"];
}
}
@end
輸出：
2016-08-09 10:00:22.203 test1[34027:265079] -[son setName:]，會調用這個方法
2016-08-09 10:00:26.316 test1[34027:265079] *** Terminating app due to uncaught exception 'NSInvalidArgumentException', reason: '姓名不能為空'
分析：
我們在父類father的initWitheCoder方法中設置self.name = @""，我們只想初始化一下name的值為空。然后我們在子類son中重寫了setName方法，設置不讓name變量為空，否則拋出異常。
按道理說，我們在父類使用self.name方法應該調用father的setName方法，在子類son中使用self.name方法也應該調用sone的setName方法。但是實際上我們看到在父類中使用self.name調用的確實子類son的setName方法，從而導致了崩潰，這是為什么呢？
暫且按下不表，我們先來看看runtime相關的一些知識，只有理解了這些知識，我們才能真正理解上面出現的問題。
objc_msgSend的實現原理
我們平時使用方法調用都是如下的模式：
[target MethodName:var1];
但是卻很少去深究這句代碼為什么能執行，怎么執行。下面我們就來看看，
首先這句代碼會被編譯為如下樣式：
objc_msgSend(target,@selector(MethodName:),var1);
而objc_msgSend函數就是我們runtime里面的一個非常重要的函數，所有的消息轉發都和這個函數息息相關。
ObjC 是一種面向runtime(運行時)的語言，也就是說，它會盡可能地把代碼執行的決策從編譯和鏈接的時候，推遲到運行時。這給程序員寫代碼帶來很大的靈活性，比如說你可以把消息轉發給你想要的對象，或者隨意交換一個方法的實現之類的。這就要求 runtime 能檢測一個對象是否能對一個方法進行響應，然后再把這個方法分發到對應的對象去。我們拿 C 來跟 ObjC 對比一下。在 C 語言里面，一切從 main 函數開始，程序員寫代碼的時候是自上而下地，一個 C 的結構體或者說類吧，是不能把方法調用轉發給其他對象的。但是在oc中，我們可以在運行時把上面的target換成其他對象，非常靈活。
objc_msgSend函數的原型如下：
id objc_msgSend ( id self, SEL op, ... );
上面的函數里面有兩個參數id和SEL，我們分別看看。
id
objc_msgSend第一個參數類型為id，大家對它都不陌生，它是一個指向類實例的指針：
typedef struct objc_object *id;
那objc_object又是啥呢：
struct objc_object { Class isa; };
objc_object結構體包含一個isa指針，根據isa指針就可以順藤摸瓜找到對象所屬的類。
PS:
isa指針不總是指向實例對象所屬的類，不能依靠它來確定類型，而是應該用class方法來確定實例對象的類。因為KVO的實現機理就是將被觀察對象的isa指針指向一個中間類而不是真實的類，這是一種叫做 isa-swizzling 的技術。
SEL
objc_msgSend函數第二個參數類型為SEL，它是selector在Objc中的表示類型（Swift中是Selector類）。selector是方法選擇器，可以理解為區分方法的 ID，而這個 ID 的數據結構是SEL:
typedef struct objc_selector *SEL;
其實它就是個映射到方法的C字符串，你可以用 Objc 編譯器命令@selector()或者 Runtime 系統的sel_registerName函數來獲得一個SEL類型的方法選擇器。
可以根據SEL(方法編號)去類方法列表找到對應的實例方法的實現，或者去元類方法列表找到對應的類方法的實現.
消息轉發步驟
結合上面的知識點，我們現在就可以理解了objc_msgSend的實現原理。
- 檢測這個 selector 是不是要忽略的。比如 Mac OS X 開發，有了垃圾回收就不理會 retain, release 這些函數了。
- 檢測這個 target 是不是 nil 對象。ObjC 的特性是允許對一個 nil 對象執行任何一個方法不會 Crash，因為會被忽略掉。
- 如果上面兩個都過了，那就開始查找這個類的 IMP，先從 cache 里面找，完了找得到就跳到對應的函數去執行。
- 如果 cache 找不到就找一下方法分發表。
- 如果分發表找不到就到超類的分發表去找，一直找，直到找到NSObject類為止。
- 如果還找不到就要開始進入動態方法解析了，這個我在另外一篇文章《runtime消息轉發機制的理解和使用》中會詳細描述
PS:這里說的分發表其實就是Class中的方法列表，它將方法選擇器和方法實現地址聯系起來。
一圖以蔽之：
isa指針
上面的objc_msgSend實現原理里面提到了isa指針、類。也是我們平常經常解除的兩個概念，但是他們內部具體如何實現，卻很少深究。
我們知道所有的對象都是由其對應的類實例化而來，在Objective-C中，我們用到的幾乎所有類都是NSObject類的子類，NSObject類定義格式如下（忽略其方法聲明）：
@interface NSObject <NSObject> {
Class isa;
}
這個Class為何物？在objc.h中我們發現其僅僅是一個結構(struct)指針的typedef定義:
typedef struct objc_class *Class;
同樣的，objc_class又是什么呢？在Objective-C2.0中，objc_class的定義如下：
struct objc_class {
Class isa;
}
寫到這里大家可能就暈了，怎么又有一個isa？
我們知道isa指針指向的是該對象所屬的類，對于實例對象的isa指針我們知道是指向其所屬的類，但是實例對象所屬的類的isa指針又指向誰呢？
這里我們先記住一點：類本身也是對象！！
那么既然類本身也是對象，那么他所屬的類是誰？
答案就是：元類！！
所以實例對象所屬的類的isa指針指向的是元類。
類
1.類對象的實質
類對象是由編譯器創建的，即在編譯時所謂的類，就是指類對象（官方文檔中是這樣說的： The class object is the compiled version of the class）。
任何直接或間接繼承了NSObject的類，它的實例對象(instance objec)中都有一個isa指針，指向它的類對象(class object)。這個類對象(class object)中存儲了關于這個實例對象(instace object)所屬的類的定義的一切：包括變量，方法，遵守的協議等等。
因此，類對象能訪問所有關于這個類的信息，利用這些信息可以產生一個新的實例，但是類對象不能訪問任何實例對象的內容。當你調用一個 “類方法” 例如 [NSObject alloc],你事實上是發送了一個消息給他的類對象。
2.類對象和實例對象的區別
盡管類對象保留了一個類實例的原型，但它并不是實例本身。它沒有自己的實例變量，也不能執行那些類的實例的方法（只有實例對象才可以執行實例方法）。然而，類的定義能包含那些特意為類對象準備的方法–類方法（ 而不是的實例方法）。類對象從父類那里繼承類方法，就像實例從父類那里繼承實例方法一樣。
類對象是一個功能完整的對象，所以也能被動態識別（dynamically typed），接收消息，從其他類繼承方法。特殊之處在于它們是由編譯器創建的，缺少它們自己的數據結構(實例變量），只是在運行時產生實例的代理。
元類
實際上，類對象是元類對象的一個實例！！
元類描述了 一個類對象，就像類對象描述了普通對象一樣。不同的是元類的方法列表是類方法的集合，由類對象的選擇器來響應。當向一個類發送消息時，objc_msgSend會通過類對象的isa指針定位到元類，并檢查元類的方法列表（包括父類）來決定調用哪個方法。元類代替了類對象描述了類方法，就像類對象代替了實例對象描述了實例化方法。
很顯然，元類也是對象，也應該是其他類的實例，實際上元類是根元類(root class’s metaclass)的實例,而根元類是其自身的實例，即根元類的isa指針指向自身。
類的super_class指向其父類，而元類的super_class則指向父類的元類。元類的super class鏈與類的super class鏈平行，所以類方法的繼承與實例方法的繼承也是并行的。而根元類(root class’s metaclass)的super_class指向根類(root class)，這樣，整個指針鏈就鏈接起來了！！
記住，當一個消息發送給任何一個對象， 方法的檢查 從對象的 isa 指針開始，然后是父類。實例方法在類中定義， 類方法在元類和根類中定義。（根類的元類就是根類自己）。
總結
綜上所述，類對象(class object)中包含了類的實例變量，實例方法的定義，而元類對象(metaclass object)中包括了類的類方法(也就是C++中的靜態方法)的定義。
類對象和元類對象中當然還會包含一些其它的東西，蘋果以后也可能添加其它的內容，但對于我們只需要記住：類對象存的是關于實例對象的信息(變量，實例方法等)，而元類對象(metaclass object)中存儲的是關于類的信息(類的版本，名字，類方法等)。
要注意的是，類對象(class object)和元類對象(metaclass object)的定義都是objc_class結構，其不同僅僅是在用途上，比如其中的方法列表在類對象(instance object)中保存的是實例方法(instance method)，而在元類對象(metaclass object)中則保存的是類方法(class method)
一圖以蔽之
object_getClass(obj)與[obj class]的區別
object_getClass(obj)返回的是obj中的isa指針；
-
而[obj class]則分兩種情況：
當obj為實例對象時，[obj class]調用的是實例方法：-(Class)class，返回的obj對象中的isa指針；
當obj為類對象（包括元類和根類以及根元類）時，調用的是類方法：+ (Class)class，返回的結果為其本身。
-
-(Class)class的實現如下：
- (Class)class { return object_getClass(self); }
第一段代碼解析
回頭我們再看看第一段代碼為什么[self class]和[super class]都輸出的是son。
[self class]
根據上面的知識，我們知道[self class]最終會轉換為如下形式：
id objc_msgSend(son的實例對象self, @selector(class), ...)
消息的接受者是son的實例對象self，然后調用他的class方法，它自己沒有實現該方法，最終在NSObject中找到該方法的實現，然后返self的isa指針，此時self是son類的實例對象，那么isa指針也就是指向son類，所以[self class]返回的son。
[super class]
而當使用 [super setName] 調用時，會使用 objc_msgSendSuper 函數.
看下 objc_msgSendSuper 的函數定義：
id objc_msgSendSuper(struct objc_super *super, @selector(class), ...)
第一個參數是個objc_super的結構體，第二個參數還是類似上面的類方法的selector，先看下objc_super這個結構體是什么東西：
struct objc_super {
id receiver;
Class superClass;
};
在此處上面的結構體轉換為如下樣式：
struct objc_super {
son的實例對象self;
father;
};
那么調用[super class]后的內部流程如下：
- 當使用 [super class] 時，這時要轉換成 objc_msgSendSuper 的方法。
- 先構造 objc_super 的結構體，第一個成員變量就是 self，第二個成員變量是 father，然后要找 class 這個 selector，先去 superClass 也就是father中去找，沒有，然后去father的父類中去找，結果還是在 NSObject 中找到了。
- 然后內部使用函數 objc_msgSend(objc_super->receiver, @selector(class)) 去調用，此時已經和我們用 [self class] 調用時相同了，因為此時的 receiver 還是 son的實例對象self，所以這里返回的也是 son。
總結
很多人會想當然的認為“ super 和 self 類似，應該是指向父類的指針吧！”。這是很普遍的一個誤區。
其實 super 是一個 Magic Keyword， 它本質是一個編譯器標示符，和 self 是指向的同一個消息接受者！他們兩個的不同點在于：super 會告訴編譯器，調用 class 這個方法時，要去父類的方法，而不是本類里的。
上面的例子不管調用[self class]還是[super class]，接受消息的對象都是當前 Son ＊xxx 這個對象。
當使用 self 調用方法時，會從當前類的方法列表中開始找，如果沒有，就從父類中再找；而當使用 super 時，則從父類的方法列表中開始找。然后調用父類的這個方法。
第二段代碼解析
第二段代碼崩潰的原因是因為在father里面使用self.name = @""調用的是子類的setName方法，從而導致了崩潰。
我們來看看為什么沒有調用自己的setName方法，反而是調用了子類son的setName方法。
其實結合第一段代碼解析就知道，在父類father里面調用[self setName]方法，消息的接受者依然是son的實例對象，然后去son的類方法列表去找setName方法，找到了，就執行。
所以你會看到明明在父類里面調用的自己的setName方法，但是真正被執行的確實子類son的setName方法。
所以我們要注意，如果子類重寫了父類的方法，那么不管在子類還是父類調用該方法，最終被執行的方法是子類的方法。
總結
本文從一個崩潰問題談起，然后開始逐步深入，探討了一些runtime的特性和機制，由此可見runtime的一些本質，但也只是管中窺豹，做拋磚引玉之用，大家有更好的想法，歡迎探討。
后續我會繼續對runtime其他特性進行介紹，歡迎一起探討。
這是runtime的源碼，有興趣的同學可以自行閱讀，可以加深理解
http://opensource.apple.com//source/objc4/objc4-208/runtime/objc-runtime.m
