摘要：這篇文章首先介紹runtime原理，包括類，超類，元類，super_class，isa，對象，方法，SEL，IMP等概念，同時分別介紹與這些概念有關的API。接著介紹方法調用流程，以及尋找IMP的過程。然后，介紹一下這些API的常見用法，并介紹runtime的冷門知識。最后介紹一下runtime的實戰指南。

Tips：蘋果公開的源代碼在這里可以查，https://opensource.apple.com/tarballs/

例如，其中，有兩個比較常見需要學習源碼的地址：

• runtime的源代碼在https://opensource.apple.com/tarballs/objc4/
• runloop(其實是整個 CoreFoundation)的源代碼在https://opensource.apple.com/tarballs/CF/

當然，如果你想在github上在線查看源代碼，可以點這里：runtime，runloop

1. 運行時

1.1 基本概念: 運行時

Runtime 的概念

Runtime 又叫運行時，是一套底層的 C 語言 API，其為 iOS 內部的核心之一，我們平時編寫的 OC 代碼，底層都是基于它來實現的。比如：

// 發送消息
[receiver message];

// 底層運行時會被編譯器轉化為：
objc_msgSend(receiver, selector)

// 如果其還有參數比如：
[receiver message:(id)arg...];

// 底層運行時會被編譯器轉化為：
objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)

以上你可能看不出它的價值，但是我們需要了解的是 Objective-C 是一門動態語言，它會將一些工作放在代碼運行時才處理而并非編譯時。也就是說，有很多類和成員變量在我們編譯的時是不知道的，而在運行時，我們所編寫的代碼會轉換成完整的確定的代碼運行。

因此，編譯器是不夠的，我們還需要一個運行時系統(Runtime system)來處理編譯后的代碼。Runtime 基本是用 C 和匯編寫的，由此可見蘋果為了動態系統的高效而做出的努力。蘋果和 GNU 各自維護一個開源的 Runtime 版本，這兩個版本之間都在努力保持一致。

Runtime 的作用

Objc 在三種層面上與 Runtime 系統進行交互：

1. 通過 Objective-C 源代碼
2. 通過 Foundation 框架的 NSObject 類定義的方法
3. 通過對 Runtime 庫函數的直接調用

1.2 各種基本概念的C表達

在 Objective-C 中，類、對象和方法都是一個 C 的結構體，從 objc/objc.h（對象，objc_object，id）以及objc/runtime.h（其它，類，方法，方法列表，變量列表，屬性列表等相關的）以及中，我們可以找到他們的定義。

① 類

類對象(Class)是由程序員定義并在運行時由編譯器創建的，它沒有自己的實例變量，這里需要注意的是類的成員變量和實例方法列表是屬于實例對象的，但其存儲于類對象當中的。我們在objc/objc.h下看看Class的定義:

• Class

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

可以看到類是由Class類型來表示的，它是一個objc_class結構類型的指針。我們接著來看objc_class結構體的定義:

• objc_class

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

參數解析

• isa指針是和Class同類型的objc_class結構指針，類對象的指針指向其所屬的類，即元類。元類中存儲著類對象的類方法，當訪問某個類的類方法時會通過該isa指針從元類中尋找方法對應的函數指針。
• super_class指針指向該類所繼承的父類對象，如果該類已經是最頂層的根類(如NSObject或NSProxy), 則 super_class為NULL。

• cache：用于緩存最近使用的方法。一個接收者對象接收到一個消息時，它會根據isa指針去查找能夠響應這個消息的對象。在實際使用中，這個對象只有一部分方法是常用的，很多方法其實很少用或者根本用不上。這種情況下，如果每次消息來時，我們都是methodLists中遍歷一遍，性能勢必很差。這時，cache就派上用場了。在我們每次調用過一個方法后，這個方法就會被緩存到cache列表中，下次調用的時候runtime就會優先去cache中查找，如果cache沒有，才去methodLists中查找方法。這樣，對于那些經常用到的方法的調用，但提高了調用的效率。

• version：我們可以使用這個字段來提供類的版本信息。這對于對象的序列化非常有用，它可是讓我們識別出不同類定義版本中實例變量布局的改變。

• protocols：當然可以看出這一個objc_protocol_list的指針。關于objc_protocol_list的結構體構成后面會講。

獲取類的類名

// 獲取類的類名
const char * class_getName ( Class cls ); 

動態創建類

// 創建一個新類和元類
Class objc_allocateClassPair ( Class superclass, const char *name, size_t extraBytes ); //如果創建的是root class，則superclass為Nil。extraBytes通常為0

// 銷毀一個類及其相關聯的類
void objc_disposeClassPair ( Class cls ); //在運行中還存在或存在子類實例，就不能夠調用這個。

// 在應用中注冊由objc_allocateClassPair創建的類
void objc_registerClassPair ( Class cls ); //創建了新類后，然后使用class_addMethod，class_addIvar函數為新類添加方法，實例變量和屬性后再調用這個來注冊類，再之后就能夠用了。

② 對象

實例對象是我們對類對象alloc或者new操作時所創建的，在這個過程中會拷貝實例所屬的類的成員變量，但并不拷貝類定義的方法。調用實例方法時，系統會根據實例的isa指針去類的方法列表及父類的方法列表中尋找與消息對應的selector指向的方法。同樣的，我們也來看下其定義:

• objc_object

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

可以看到，這個結構體只有一個isa變量，指向實例對象所屬的類。任何帶有以指針開始并指向類結構的結構都可以被視作objc_object, 對象最重要的特點是可以給其發送消息。 NSObject類的alloc和allocWithZone:方法使用函數class_createInstance來創建objc_object數據結構。

另外我們常見的id類型，它是一個objc_object結構類型的指針。該類型的對象可以轉換為任何一種對象，類似于C語言中void *指針類型的作用。其定義如下所示:

• id

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
#endif

對對象的類操作

// 返回給定對象的類名
const char * object_getClassName ( id obj );
// 返回對象的類
Class object_getClass ( id obj );
// 設置對象的類
Class object_setClass ( id obj, Class cls );

獲取對象的類定義

// 獲取已注冊的類定義的列表
int objc_getClassList ( Class *buffer, int bufferCount );

// 創建并返回一個指向所有已注冊類的指針列表
Class * objc_copyClassList ( unsigned int *outCount );

// 返回指定類的類定義
Class objc_lookUpClass ( const char *name );
Class objc_getClass ( const char *name );
Class objc_getRequiredClass ( const char *name );

// 返回指定類的元類
Class objc_getMetaClass ( const char *name );

動態創建對象

// 創建類實例
id class_createInstance ( Class cls, size_t extraBytes ); //會在heap里給類分配內存。這個方法和+alloc方法類似。

// 在指定位置創建類實例
id objc_constructInstance ( Class cls, void *bytes ); 

// 銷毀類實例
void * objc_destructInstance ( id obj ); //不會釋放移除任何相關引用

③ 元類

元類(Metaclass)就是類對象的類，每個類都有自己的元類，也就是objc_class結構體里面isa指針所指向的類. Objective-C的類方法是使用元類的根本原因，因為其中存儲著對應的類對象調用的方法即類方法。

當向對象發消息，runtime會在這個對象所屬類方法列表中查找發送消息對應的方法，但當向類發送消息時，runtime就會在這個類的meta class方法列表里查找。所有的meta class，包括Root class，Superclass，Subclass的isa都指向Root class的meta class，這樣能夠形成一個閉環。

所以由上圖可以看到，在給實例對象或類對象發送消息時，尋找方法列表的規則為:

• 當發送消息給實例對象時，消息是在尋找這個對象的類的方法列表(實例方法)
• 當發送消息給類對象時，消息是在尋找這個類的元類的方法列表(類方法)

元類，就像之前的類一樣，它也是一個對象，也可以調用它的方法。所以這就意味著它必須也有一個類。所有的元類都使用根元類作為他們的類。比如所有NSObject的子類的元類都會以NSObject的元類作為他們的類。

根據這個規則，所有的元類使用根元類作為他們的類，根元類的元類則就是它自己。也就是說基類的元類的isa指針指向他自己。

操作函數

• super_class和meta-class

// 獲取類的父類
Class class_getSuperclass ( Class cls );
// 判斷給定的Class是否是一個meta class
BOOL class_isMetaClass ( Class cls );

• instance_size

// 獲取實例大小
size_t class_getInstanceSize ( Class cls );

④ 屬性

在Objective-C中，屬性(property)和成員變量是不同的。那么，屬性的本質是什么？它和成員變量之間有什么區別？簡單來說屬性是添加了存取方法的成員變量，也就是:

@property = ivar + getter + setter;

因此，我們每定義一個@property都會添加對應的ivar, getter和setter到類結構體objc_class中。具體來說，系統會在objc_ivar_list中添加一個成員變量的描述，然后在methodLists中分別添加setter和getter方法的描述。下面的objc_property_t是聲明的屬性的類型，是一個指向objc_property結構體的指針。

用法舉例

//遍歷獲取所有屬性Property
- (void) getAllProperty {
    unsigned int propertyCount = 0;
    objc_property_t *propertyList = class_copyPropertyList([Person class], &propertyCount);
    for (unsigned int i = 0; i < propertyCount; i++ ) {
        objc_property_t *thisProperty = propertyList[i];
        const char* propertyName = property_getName(*thisProperty);
        NSLog(@"Person擁有的屬性為: '%s'", propertyName);
    }
}

• objc_property_t

/// An opaque type that represents an Objective-C declared property.
typedef struct objc_property *objc_property_t;

另外，關于屬性有一個objc_property_attribute_t結構體列表，objc_property_attribute_t結構體包含name和value

• objc_property_attribute_t

typedef struct {
    const char * _Nonnull name;           /**< The name of the attribute */
    const char * _Nonnull value;          /**< The value of the attribute (usually empty) */
} objc_property_attribute_t;

常用的屬性如下：

• 屬性類型 name值：T value：變化
• 編碼類型 name值：C(copy) &(strong) W(weak)空(assign) 等 value：無
• 非/原子性 name值：空(atomic) N(Nonatomic) value：無
• 變量名稱 name值：V value：變化

例如

@interface person : NSObjec{  
  NSString *_name;  
}  
int main(){  
  objc_property_attribute_t nonatomic = {"N", ""};  
  objc_property_attribute_t strong = {"&", ""};  
  objc_property_attribute_t type = {"T", "@\"NSString\""};  
  objc_property_attribute_t ivar = {"V", "_name"};  
  objc_property_attribute_t attributes[] = {nonatomic, strong, type, ivar};  
  BOOL result = class_addProperty([person class], "name", attributes, 4);  
}  

操作函數

// 獲取屬性名
const char * property_getName ( objc_property_t property );
// 獲取屬性特性描述字符串
const char * property_getAttributes ( objc_property_t property );
// 獲取屬性中指定的特性
char * property_copyAttributeValue ( objc_property_t property, const char *attributeName );
// 獲取屬性的特性列表
objc_property_attribute_t * property_copyAttributeList ( objc_property_t property, unsigned int *outCount );

⑤ 成員變量

Ivar: 實例變量類型，是一個指向objc_ivar結構體的指針

• Ivar

/// An opaque type that represents an instance variable.
typedef struct objc_ivar *Ivar;

objc_ivar結構體的組成如下：

• objc_ivar

- struct objc_ivar {
    char * _Nullable ivar_name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nullable ivar_type                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    int ivar_offset                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}   

這里我們注意第三個成員 ivar_offset。它表示基地址偏移字節。

操作函數

//成員變量操作函數
// 修改類實例的實例變量的值
Ivar object_setInstanceVariable ( id obj, const char *name, void *value );
// 獲取對象實例變量的值
Ivar object_getInstanceVariable ( id obj, const char *name, void **outValue );
// 返回指向給定對象分配的任何額外字節的指針
void * object_getIndexedIvars ( id obj );
// 返回對象中實例變量的值
id object_getIvar ( id obj, Ivar ivar );
// 設置對象中實例變量的值
void object_setIvar ( id obj, Ivar ivar, id value );


// 獲取類成員變量的信息
Ivar class_getClassVariable ( Class cls, const char *name );
// 添加成員變量
BOOL class_addIvar ( Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types ); //這個只能夠向在runtime時創建的類添加成員變量
// 獲取整個成員變量列表
Ivar * class_copyIvarList ( Class cls, unsigned int *outCount ); //必須使用free()來釋放這個數組

⑥ 成員變量列表

在objc_class中，所有的成員變量、屬性的信息是放在鏈表ivars中的。ivars是一個數組，數組中每個元素是指向Ivar(變量信息)的指針。

• objc_ivar_list

struct objc_ivar_list {
    int ivar_count                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_ivar ivar_list[1]                            OBJC2_UNAVAILABLE;
}  

例子，獲取所有成員變量

//遍歷獲取Person類所有的成員變量IvarList
- (void) getAllIvarList {
    unsigned int methodCount = 0;
    Ivar * ivars = class_copyIvarList([Person class], &methodCount);
    for (unsigned int i = 0; i < methodCount; i ++) {
        Ivar ivar = ivars[i];
        const char * name = ivar_getName(ivar);
        const char * type = ivar_getTypeEncoding(ivar);
        NSLog(@"Person擁有的成員變量的類型為%s，名字為 %s ",type, name);
    }
    free(ivars);
}

⑦ 方法

Method 代表類中某個方法的類型

• Method

/// An opaque type that represents a method in a class definition.
typedef struct objc_method *Method;

objc_method 存儲了方法名，方法類型和方法實現：

• objc_method

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nullable method_types                            OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP _Nonnull method_imp                                  OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

其中，

• 方法名類型為 SEL
• 方法類型 method_types 是個 char 指針，存儲方法的參數類型和返回值類型
• method_imp 指向了方法的實現，本質是一個函數指針

簡言之，Method = SEL + IMP + method_types，相當于在SEL和IMP之間建立了一個映射。

操作函數

// 調用指定方法的實現，返回的是方法實現時的返回，參數receiver不能為空，這個比method_getImplementation和method_getName快
id method_invoke ( id receiver, Method m, ... );
// 調用返回一個數據結構的方法的實現
void method_invoke_stret ( id receiver, Method m, ... );
// 獲取方法名，希望獲得方法明的C字符串，使用sel_getName(method_getName(method))
SEL method_getName ( Method m );
// 返回方法的實現
IMP method_getImplementation ( Method m );
// 獲取描述方法參數和返回值類型的字符串
const char * method_getTypeEncoding ( Method m );
// 獲取方法的返回值類型的字符串
char * method_copyReturnType ( Method m );
// 獲取方法的指定位置參數的類型字符串
char * method_copyArgumentType ( Method m, unsigned int index );
// 通過引用返回方法的返回值類型字符串
void method_getReturnType ( Method m, char *dst, size_t dst_len );
// 返回方法的參數的個數
unsigned int method_getNumberOfArguments ( Method m );
// 通過引用返回方法指定位置參數的類型字符串
void method_getArgumentType ( Method m, unsigned int index, char *dst, size_t dst_len );
// 返回指定方法的方法描述結構體
struct objc_method_description * method_getDescription ( Method m );
// 設置方法的實現
IMP method_setImplementation ( Method m, IMP imp );
// 交換兩個方法的實現
void method_exchangeImplementations ( Method m1, Method m2 );

⑧ 方法列表

方法調用是通過查詢對象的isa指針所指向歸屬類中的methodLists來完成。

• objc_method_list

struct objc_method_list {
    struct objc_method_list * _Nullable obsolete             OBJC2_UNAVAILABLE;

    int method_count                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_method method_list[1]                        OBJC2_UNAVAILABLE;
}    

操作函數

// 添加方法
BOOL class_addMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types ); //和成員變量不同的是可以為類動態添加方法。如果有同名會返回NO，修改的話需要使用method_setImplementation

// 獲取實例方法
Method class_getInstanceMethod ( Class cls, SEL name );

// 獲取類方法
Method class_getClassMethod ( Class cls, SEL name );

// 獲取所有方法的數組
Method * class_copyMethodList ( Class cls, unsigned int *outCount );

// 替代方法的實現
IMP class_replaceMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types );

// 返回方法的具體實現
IMP class_getMethodImplementation ( Class cls, SEL name );
IMP class_getMethodImplementation_stret ( Class cls, SEL name );

// 類實例是否響應指定的selector
BOOL class_respondsToSelector ( Class cls, SEL sel );

⑨ 指針：指向方法名與實現

• SEL

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

在源碼中沒有直接找到 objc_selector 的定義，從一些書籍上與 Blog 上看到可以將 SEL 理解為一個 char* 指針。

具體這 objc_selector 結構體是什么取決與使用GNU的還是Apple的運行時， 在Mac OS X中SEL其實被映射為一個C字符串，可以看作是方法的名字，它并不一個指向具體方法實現（IMP類型才是）。

對于所有的類，只要方法名是相同的，產生的selector都是一樣的。

操作函數

// 返回給定選擇器指定的方法的名稱
const char * sel_getName ( SEL sel );
// 在Objective-C Runtime系統中注冊一個方法，將方法名映射到一個選擇器，并返回這個選擇器
SEL sel_registerName ( const char *str );
// 在Objective-C Runtime系統中注冊一個方法
SEL sel_getUid ( const char *str );
// 比較兩個選擇器
BOOL sel_isEqual ( SEL lhs, SEL rhs );

• IMP

/// 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

實際上就是一個函數指針，指向方法實現的首地址。通過取得 IMP，我們可以跳過 runtime 的消息傳遞機制，直接執行 IMP指向的函數實現，這樣省去了 runtime 消息傳遞過程中所做的一系列查找操作，會比直接向對象發送消息高效一些，當然必須說明的是，這種方式只適用于極特殊的優化場景，如效率敏感的場景下大量循環的調用某方法。

操作函數

// 返回方法的實現
IMP method_getImplementation ( Method m );
// 設置方法的實現
IMP method_setImplementation ( Method m, IMP imp );
// 替代方法的實現
IMP class_replaceMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types );

⑩ 緩存

上面提到了objc_class結構體中的cache字段，它用于緩存調用過的方法。這個字段是一個指向objc_cache結構體的指針，其定義如下：

• Cache

typedef struct objc_cache *Cache    

• objc_cache

typedef struct objc_cache *Cache                             OBJC2_UNAVAILABLE;

#define CACHE_BUCKET_NAME(B)  ((B)->method_name)
#define CACHE_BUCKET_IMP(B)   ((B)->method_imp)
#define CACHE_BUCKET_VALID(B) (B)
#ifndef __LP64__
#define CACHE_HASH(sel, mask) (((uintptr_t)(sel)>>2) & (mask))
#else
#define CACHE_HASH(sel, mask) (((unsigned int)((uintptr_t)(sel)>>3)) & (mask))
#endif
struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    unsigned int occupied                                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    Method _Nullable buckets[1]                              OBJC2_UNAVAILABLE;
};

該結構體的字段描述如下：

• mask：一個整數，指定分配的緩存bucket的總數。在方法查找過程中，Objective-C runtime使用這個字段來確定開始線性查找數組的索引位置。指向方法selector的指針與該字段做一個AND位操作(index = (mask & selector))。這可以作為一個簡單的hash散列算法。
• occupied：一個整數，指定實際占用的緩存bucket的總數。
• buckets：指向Method數據結構指針的數組。這個數組可能包含不超過mask+1個元素。需要注意的是，指針可能是NULL，表示這個緩存bucket沒有被占用，另外被占用的bucket可能是不連續的。這個數組可能會隨著時間而增長。

? 協議鏈表

前面objc_class的結構體中有個協議鏈表的參數，協議鏈表用來存儲聲明遵守的正式協議

• objc_protocol_list

struct objc_protocol_list {
    struct objc_protocol_list * _Nullable next;
    long count;
    __unsafe_unretained Protocol * _Nullable list[1];
};

操作函數

// 添加協議
BOOL class_addProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );
// 返回類是否實現指定的協議
BOOL class_conformsToProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );
// 返回類實現的協議列表
Protocol * class_copyProtocolList ( Class cls, unsigned int *outCount );

// 返回指定的協議
Protocol * objc_getProtocol ( const char *name );
// 獲取運行時所知道的所有協議的數組
Protocol ** objc_copyProtocolList ( unsigned int *outCount );
// 創建新的協議實例
Protocol * objc_allocateProtocol ( const char *name );
// 在運行時中注冊新創建的協議
void objc_registerProtocol ( Protocol *proto ); //創建一個新協議后必須使用這個進行注冊這個新協議，但是注冊后不能夠再修改和添加新方法。

// 為協議添加方法
void protocol_addMethodDescription ( Protocol *proto, SEL name, const char *types, BOOL isRequiredMethod, BOOL isInstanceMethod );
// 添加一個已注冊的協議到協議中
void protocol_addProtocol ( Protocol *proto, Protocol *addition );
// 為協議添加屬性
void protocol_addProperty ( Protocol *proto, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount, BOOL isRequiredProperty, BOOL isInstanceProperty );
// 返回協議名
const char * protocol_getName ( Protocol *p );
// 測試兩個協議是否相等
BOOL protocol_isEqual ( Protocol *proto, Protocol *other );
// 獲取協議中指定條件的方法的方法描述數組
struct objc_method_description * protocol_copyMethodDescriptionList ( Protocol *p, BOOL isRequiredMethod, BOOL isInstanceMethod, unsigned int *outCount );
// 獲取協議中指定方法的方法描述
struct objc_method_description protocol_getMethodDescription ( Protocol *p, SEL aSel, BOOL isRequiredMethod, BOOL isInstanceMethod );
// 獲取協議中的屬性列表
objc_property_t * protocol_copyPropertyList ( Protocol *proto, unsigned int *outCount );
// 獲取協議的指定屬性
objc_property_t protocol_getProperty ( Protocol *proto, const char *name, BOOL isRequiredProperty, BOOL isInstanceProperty );
// 獲取協議采用的協議
Protocol ** protocol_copyProtocolList ( Protocol *proto, unsigned int *outCount );
// 查看協議是否采用了另一個協議
BOOL protocol_conformsToProtocol ( Protocol *proto, Protocol *other );

? 分類

• Category

/// An opaque type that represents a category.
typedef struct objc_category *Category;

• objc_category

struct objc_category {
    char * _Nonnull category_name                            OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nonnull class_name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable instance_methods     OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable class_methods        OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
} 

2. 方法調用流程

objc_msgSend() Tour 系列文章通過對 objc_msgSend 的匯編源碼分析，總結出以下流程：

2.1 方法調用流程

1. 檢查 selector 是否需要忽略
2. 檢查 target 是否為 nil，如果是 nil 就直接 cleanup，然后 return
3. 在 target 的 Class 中根據 selector 去找 IMP

2.2 尋找 IMP 的過程:

1. 在當前 class 的方法緩存里尋找（cache methodLists）
2. 找到了跳到對應的方法實現，沒找到繼續往下執行
3. 從當前 class 的 方法列表里查找（methodLists），找到了添加到緩存列表里，然后跳轉到對應的方法實現；沒找到繼續往下執行
4. 從 superClass 的緩存列表和方法列表里查找，直到找到基類為止
5. 以上步驟還找不到 IMP，則進入消息動態處理和消息轉發流程，詳見這篇文章

我們能在 objc4官方源碼 中找到上述尋找 IMP 的過程，具體對應的代碼如下：

objc-class.mm

IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL sel)
{
    IMP imp;

    if (!cls  ||  !sel) return nil;

    imp = lookUpImpOrNil(cls, sel, nil, 
                         YES/*initialize*/, YES/*cache*/, YES/*resolver*/);

    // Translate forwarding function to C-callable external version
    if (!imp) {
        return _objc_msgForward;
    }

    return imp;
}

objc-runtime-new.mm

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;
}

等等...

3. 運行時相關的API

3.1 通過 Foundation 框架的 NSObject 類定義的方法

Cocoa 程序中絕大部分類都是 NSObject 類的子類，所以都繼承了 NSObject 的行為。(NSProxy 類時個例外，它是個抽象超類)

一些情況下，NSObject 類僅僅定義了完成某件事情的模板，并沒有提供所需要的代碼。例如 -description 方法，該方法返回類內容的字符串表示，該方法主要用來調試程序。NSObject 類并不知道子類的內容，所以它只是返回類的名字和對象的地址，NSObject 的子類可以重新實現。

還有一些 NSObject 的方法可以從 Runtime 系統中獲取信息，允許對象進行自我檢查。例如：

• -class方法返回對象的類；
• -isKindOfClass: 和 -isMemberOfClass: 方法檢查對象是否存在于指定的類的繼承體系中(是否是其子類或者父類或者當前類的成員變量)；
• -respondsToSelector: 檢查對象能否響應指定的消息；
• -conformsToProtocol:檢查對象是否實現了指定協議類的方法；
• -methodForSelector: 返回指定方法實現的地址。

常見的一個例子：

//先調用respondsToSelector:來判斷一下
if ([self respondsToSelector:@selector(method)]) {
     [self performSelector:@selector(method)];
}

3.2 runtime的常見API舉例

• 獲取列表及名字

    unsigned int count;
    //獲取屬性列表
    objc_property_t *propertyList = class_copyPropertyList([self class], &count);
    for (unsigned int i=0; i<count; i++) {
        const char *propertyName = property_getName(propertyList[i]);
        NSLog(@"property---->%@", [NSString stringWithUTF8String:propertyName]);
    }
    
    //獲取方法列表
    Method *methodList = class_copyMethodList([self class], &count);
    for (unsigned int i; i<count; i++) {
        Method method = methodList[i];
        NSLog(@"method---->%@", NSStringFromSelector(method_getName(method)));
    }
    
    //獲取成員變量列表
    Ivar *ivarList = class_copyIvarList([self class], &count);
    for (unsigned int i; i<count; i++) {
        Ivar myIvar = ivarList[i];
        const char *ivarName = ivar_getName(myIvar);
        NSLog(@"Ivar---->%@", [NSString stringWithUTF8String:ivarName]);
    }
    
    //獲取協議列表
    __unsafe_unretained Protocol **protocolList = class_copyProtocolList([self class], &count);
    for (unsigned int i; i<count; i++) {
        Protocol *myProtocal = protocolList[i];
        const char *protocolName = protocol_getName(myProtocal);
        NSLog(@"protocol---->%@", [NSString stringWithUTF8String:protocolName]);
    }

• 動態創建類

Class cls = objc_allocateClassPair(MyClass.class, "MySubClass", 0);
class_addMethod(cls, @selector(submethod1), (IMP)imp_submethod1, "v@:");
class_replaceMethod(cls, @selector(method1), (IMP)imp_submethod1, "v@:");
class_addIvar(cls, "_ivar1", sizeof(NSString *), log(sizeof(NSString *)), "i");

objc_property_attribute_t type = {"T", "@\"NSString\""};
objc_property_attribute_t ownership = { "C", "" };
objc_property_attribute_t backingivar = { "V", "_ivar1"};
objc_property_attribute_t attrs[] = {type, ownership, backingivar};

class_addProperty(cls, "property2", attrs, 3);
objc_registerClassPair(cls);

id instance = [[cls alloc] init];
[instance performSelector:@selector(submethod1)];
[instance performSelector:@selector(method1)];

輸出結果

2014-10-23 11:35:31.006 RuntimeTest[3800:66152] run sub method 1
2014-10-23 11:35:31.006 RuntimeTest[3800:66152] run sub method 1

• 動態創建對象

//可以看出class_createInstance和alloc的不同
id theObject = class_createInstance(NSString.class, sizeof(unsigned));
id str1 = [theObject init];
NSLog(@"%@", [str1 class]);
id str2 = [[NSString alloc] initWithString:@"test"];
NSLog(@"%@", [str2 class]);

輸出結果

2014-10-23 12:46:50.781 RuntimeTest[4039:89088] NSString
2014-10-23 12:46:50.781 RuntimeTest[4039:89088] __NSCFConstantString

3.3 runtime的少見API解析

• id 和 void * 轉換API：(__bridge void *)

在 ARC 有效時，通過 (__bridge void *)轉換 id 和 void * 就能夠相互轉換。為什么轉換？這是因為objc_getAssociatedObject的參數要求的。先看一下它的API：

objc_getAssociatedObject(id _Nonnull object, const void * _Nonnull key)

可以知道，這個“屬性名”的key是必須是一個void *類型的參數。所以需要轉換。關于這個轉換，下面給一個轉換的例子：

id obj = [[NSObject alloc] init];

void *p = (__bridge void *)obj;
id o = (__bridge id)p;

關于這個轉換可以了解更多：ARC 類型轉換：顯示轉換 id 和 void *

當然，如果不通過轉換使用這個API，就需要這樣使用：

• 方式1：

objc_getAssociatedObject(self, @"AddClickedEvent");

• 方式2：

static const void *registerNibArrayKey = &registerNibArrayKey;

NSMutableArray *array = objc_getAssociatedObject(self, registerNibArrayKey);

• 方式3：

static const char MJErrorKey = '\0';

objc_getAssociatedObject(self, &MJErrorKey);

• 方式4：

+ (instancetype)cachedPropertyWithProperty:(objc_property_t)property
{
    MJProperty *propertyObj = objc_getAssociatedObject(self, property);
    //省略
}

其中objc_property_t是runtime的類型

typedef struct objc_property *objc_property_t;

4. 運行時實戰指南

上面的API不是提供大家背的，而是用來查閱的，當你要用到的時候查閱。因為這些原理和API光看沒用，需要實戰之后再回過頭來查閱和理解。筆者另外寫了runtime的原理與實踐。如果想了解runtime的更多知識，可以選擇閱讀這些文章：

• iOS開發·runtime原理與實踐: 消息轉發篇
• iOS開發·runtime原理與實踐: 關聯對象篇
• iOS開發·runtime原理與實踐: 方法交換篇
• iOS開發·KVO用法，原理與底層實現: runtime模擬實現KVO監聽機制（Blcok及Delgate方式）