Runtime最全總結

本系列詳細講解Runtime知識點，由于運行時的內容較多，所以將內容拆分成以下幾個方面，可以自行選擇想要查看的部分

本文主要分析Runtime的消息機制，探究OC類和對象發送消息的原理。

理解 objc_msgSend 的作用

調用方法是面向對象語言常用的功能，用Objective-C的術語來說這叫“傳遞消息”，消息有“名稱(name)”和“選擇子(selector)”，而Runtime賦予了OC動態語言的特性，用一串偽代碼簡單介紹下靜態語言和動態語言調用方法的區別。

if(bool){ function1(); }
else{ function2(); }
//函數地址硬編碼在指令中，這是函數調用方式

void (*fnc)();
if(bool){ fnc = function1; }
else{ fnc = function2; }
fnc();
//需要的函數在運行時才能確定，動態綁定

并非編譯時就會確定要調用的方法，而是交由運行時決定，這是消息機制的特點，OC基本調用方法為

id returnValue = [someObject messageName:parameter];

在這里someObject叫做接受者(receiver)，messageName叫做選擇子(selector)，選擇子和參數一同組成一條消息，編譯器將其轉為C語言函數調用，函數原型為void objc_msgSend(id self,SEL cmd, ...)，這里函數的參數個數可變，那么上面的例子會變成以下這段代碼

id returnValue = objc_msgSend(someObject, @selector(messageName:),parameter);

下面還以上一篇的Father和Son為例子，講解一下消息傳遞的函數方法，在main.m中輸入以下代碼。

Son * son = [[Son alloc] init];

接下來用clang將其轉為.cpp文件clang -rewrite-objc main.m，代碼如下：

Son * son = ((Son *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((Son *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Son"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));

這里將類型等簡化為以下代碼

Son * son = (objc_msgSend)((objc_msgSend)(objc_getClass("Son"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));

解釋下這段代碼，首先使用objc_getClass獲取當前類對象，然后通過objc_msgSend，向這個類對象發送消息，消息名為alloc，完成實例對象分配內存，再次調用objc_msgSend向這個實例對象發送消息，消息名為init，表示實例對象的初始化。

根據上一篇文章 OC運行時機制Runtime(一)：從isa指針開始初步結識Runtime 我們了解了OC方法的繼承體系

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 *` */

每個方法從所屬類的“方法列表”中查找，找不到則沿繼承體系向上查找，如果還是找不到，執行“完整的消息轉發機制”，這里有個問題，如果每次都執行同一個方法都要查找一次，那么這個耗時還是比較長的，所以每次找到方法后會將方法存入“快速映射表”中以便下次快速查找。“快速映射表”結構體代碼如下

struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */          OBJC2_UNAVAILABLE;
    unsigned int occupied                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    Method buckets[1]                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
};

那么這個cache到底有什么作用，OC許多類方法多到幾十種，但是只有10%-20%的方法會經常調用，可能產生的調用次數超過80%，所以緩存的作用就體現出來了，首次調用方法從緩存中查找如果找不到再從方法列表中查找，極大的提升了查詢效率。

這里已經看到了在Runtime的作用下，objc_msgSend函數完成了面向對象消息傳遞向面向過程函數調用的轉化，這也是消息機制的基礎，那么就存在一個問題了，如果一條消息發送失敗，runtime會如何處理呢？

消息轉發機制：unrecognized selector出現后的三次機會

首先看一個最典型的案例

id string = @"hello";
[string addObject:@"world"];

這里用id類型聲明了一個變量string，這時string默認為NSString類型，那我們調用NSMutableArray的方法，就會報錯，[__NSCFConstantString addObject:]: unrecognized selector sent to instance 0x100001040，我們知道oc方法繼承體系是通過isa指針向上查找，直到NSObject依然找不到方法，就會調用doesNotRecognizeSelector:方法，報unrecognized selector的錯誤，當然這不是結束，oc在每個消息發送失敗后會給出我們三次機會來解決這條消息，這就是消息轉發機制。

消息轉發分為兩大階段，第一階段看接受者是否能動態添加方法，這叫做動態方法解析，如果運行期第一階段已經被系統執行完畢，那么執行第二階段分為兩小步，先看其他有沒有對象能處理這條消息，如果有備援的接收者，將消息轉發給這個對象，如果沒有，則會啟動完整的消息轉發機制，將所有信息封裝到 NSInvocation 對象中，給最后一次解決這個問題的機會。

消息轉發流程簡圖.png

下面舉一個例子，首先如果一個屬性執行了@dynamic property；，那么如果外界調用這個屬性的setter或getter都會crash這里用動態方法解析的方式解決一下這個問題

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)selector;  //當遇到無法解讀的實例方法時調用這個方法
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)selector;     //當遇到無法解讀的類方法時調用這個方法

Son * son = [Son new];
son.name = @"Tom";
NSLog(@"%@", son.name);

void dynamicNameSetter (id self,SEL _cmd, id value) {
    Son *son = (Son *)self;
    son.resolveName = (NSString *)value;
}

id dynamicNameGetter (id self,SEL _cmd) {
    Son *son = (Son *)self;
    return son.resolveName;
}

@implementation Son

@dynamic name;

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    
    if (sel == @selector(setName:)) {
        class_addMethod(self, sel, (IMP)dynamicNameSetter, "v@:@");
        return true;
    }else if(sel == @selector(name)) {
        class_addMethod(self, sel, (IMP)dynamicNameGetter, "@@:");
        return true;
    }
    return [super resolveClassMethod:sel];
};

這里看到，當我們調用son的setter方法，因為實現了@dynamic;關鍵字，所以首先消息發送失敗，走到消息轉發的第一步resolveInstanceMethod，通過添加方法的方式，將值綁定到resolveName上，實現setter和getter方法。

那么如果上一步沒有操作，會走到第二步

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)selector;
//如果找到接收者，返回那個對象，否則返回nil，這一步轉發的消息不能進行操作，可以通過完整的消息轉發機制操作。

@implementation Son

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)selector {
    return [[Daughter alloc] init];
}

@end

@implementation Daughter

- (void)substitute {
    NSLog(@"I can realize");
}

@end

這里外部調用

Son * son = [Son new];
[son performSelector:@selector(substitute)];

雖然son找不到substitute方法，但是它的備援接收者daughter可以，所以不會報錯，并有成功打印。

如果以上操作都沒有做，會執行最后一步完整的消息轉發機制。

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation*)invocation;
//封裝了NSInvocation對象，將target，selector，和parameters全部封裝其中

總結

ObjC是一門動態語言，以消息機制方式代替函數調用方式，運行時才會決定消息的發送成功與失敗，即使發送失敗也有一套消息轉發機制來避免crash，總共分為動態方法解析，備援接收者，完整的消息轉發三步，如果全部沒有操作才會拋出異常。

后續

到這里分析了基礎的兩個部分，分別是運行時結構和消息機制，感興趣的朋友們可以移步下一篇文章 OC運行時機制Runtime(三)：關聯對象Associated Object和分類Category，如果覺得本文對您有些作用，請在下方點個贊再走哈~

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