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runtime小序曲一文中舉出了runtime的三種應(yīng)用方式：

Objective-C源代碼，以objc_msgSend方法舉例。
NSObject的方法。
Runtime的函數(shù)。

本文將就第一種方式中的objc_msgSend方法展開講解。
學(xué)習(xí)進(jìn)度:

一、objc_msgSend的兩種姿勢

很容易想到，OC中的兩種方法調(diào)用的姿勢：實例方法和類方法。下面我們通過一個簡單樣例的clang處理后的代碼看一下。

// OC代碼
// main.m
#import <UIKit/UIKit.h>
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
@interface A : NSObject
@property (nonatomic, assign) NSInteger a;
- (void)b;
+ (void)c;
@end
@implementation A
- (void)b {
    NSLog(@"b");
}
+ (void)c {
    NSLog(@"c");
}
@end
int main(int argc, char * argv[]) {
    A *aObject = [[A alloc] init];
    // 實例方法調(diào)用
    [aObject b];
    // 類方法調(diào)用
    [A c];
}

通過xcrun -sdk iphonesimulator9.3 clang -rewrite-objc main.m將其轉(zhuǎn)換為編譯后的偽代碼，即運行時執(zhí)行的代碼的偽代碼（代碼比較多，只列出我們想要的）。

// A類定義
typedef struct objc_object A;
// objc_getClass方法
struct objc_class *objc_getClass(const char *);
// sel_registerName方法
SEL sel_registerName(const char *str) __attribute__((availability(ios,introduced=2.0)));

// 對應(yīng)上述main函數(shù)
int main(int argc, char * argv[]) {
    A *aObject = ((A *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((A *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("A"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
    // 實例方法調(diào)用
    ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)aObject, sel_registerName("b"));
    // 類方法調(diào)用
    ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("A"), sel_registerName("c"));
}

將上述實例方法調(diào)用和類方法調(diào)用的強制轉(zhuǎn)換干掉之后看下。

實例方法

objc_msgSend(aObject, sel_registerName("b"));

可知，aObject是一個objc_object結(jié)構(gòu)體，sel_registerName返回值為SEL。所以，這句話的意思大致是：向一個objc_object發(fā)送一個SEL。當(dāng)然，具體怎么發(fā)送的這里先不談。

類方法

objc_msgSend(objc_getClass("A"), sel_registerName("c"));

可知，objc_getClass返回值為objc_class，sel_registerName返回值為SEL。所以，這句話的意思大致是：向一個objc_class發(fā)送一個SEL。當(dāng)然，具體怎么發(fā)送的這里先不談。下文會說。

本節(jié)過后，大概有兩個疑問：
1、objc_object、objc_class、SEL分別是什么東西？
2、objc_msgSend到底如何工作？

二、objc_object和objc_class

上一節(jié)留了兩個問題，這里先回答第一個問題的一部分，即objc_object、objc_class是什么？可以參照runtime源碼。在objc.h和runtime.h里面分別可以找到objc_object和objc_class的實現(xiàn)。

objc_object

// 在objc.h中找到相關(guān)代碼
typedef struct objc_class *Class;
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

動態(tài)類型id其實就是一個objc_object。

可以看出一個類的實例，即一個對象，其實在runtime時刻是一個objc_class結(jié)構(gòu)體，而結(jié)構(gòu)體里面只有一個指向objc_class的指針isa。哎吆，objc_class好像在哪里見過？對，就是上面提到的調(diào)用類方法使用的結(jié)構(gòu)體，下面看一下它的結(jié)構(gòu)。

objc_class

// 在runtime.h中找到相關(guān)代碼
struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

objc_class的結(jié)構(gòu)體的東西就比較多了，因為現(xiàn)在討論的是調(diào)用類的方法，所以我們只關(guān)注三個東西isa、super_class和objc_method_list。
isa指向一個objc_class對象，而super_class比較容易理解，即指向這個類的父類。而objc_method_list會在下一節(jié)和SEL一起講解。

本節(jié)并沒有講解一些東西，只是說了下兩個結(jié)構(gòu)體的實現(xiàn)，讓大家對isa、super_class有一個概念。本節(jié)過后，大家的疑問應(yīng)該變多了，結(jié)合一中疑問，大概以下幾個：
1、objc_method_list、SEL。
2、isa、super_class有什么用？怎么用？
3、objc_msgSend到底如何工作？

三、objc_method、SEL和IMP

二中第一個疑問是objc_method_list、SEL，而引入objc_method_list是objc_method的列表，所以我們不研究objc_method_list，改為研究objc_method和SEL，而objc_method結(jié)構(gòu)體中還有一個IMP，與本節(jié)內(nèi)容息息相關(guān)，所以以objc_method、SEL和IMP為中心講解。

objc_method

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

可知，OC中每一個方法都是如上的結(jié)構(gòu)體，里面的兩個關(guān)鍵字段method_name和method_imp共同為方法的查找和使用服務(wù)。

SEL
從SEL類型的成員為method_name可以知道，SEL大概代表一個方法的名字，可以通過以下方式檢驗。

// OC代碼
#import <UIKit/UIKit.h>
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
@interface A : NSObject
@property (nonatomic, assign) NSInteger a;
- (void)b;
+ (void)c;
@end
@implementation A
- (void)b {
}
+ (void)c {
    NSLog(@"%s", @selector(b));
}
@end
int main(int argc, char * argv[]) {
    [A c];
}

// 輸出
2016-12-29 15:23:03.850 block[57622:533311] b

IMP
SEL的作用很容易理解，即想找到想要的objc_method結(jié)構(gòu)體，需要通過SEL來遍歷，那么，IMP是什么呢？一般來說，通過SEL找到想要的objc_method，下一步就是調(diào)用方法的實現(xiàn)了，objc_method結(jié)構(gòu)體中唯一有可能和方法實現(xiàn)相關(guān)的就是IMP了。所以，IMP是一個函數(shù)指針，指向objc_method對應(yīng)方法的實現(xiàn)部分。

objc_method中的method_types指的是方法的返回值和參數(shù)。以返回值開始，依次把參數(shù)拼在后面，比如"i@"，即為返回值為int類型，參數(shù)為一個對象，參照對照表。

簡單樣例

// 考慮到只用文字描述有點空洞，這里通過class_addMethod方法的使用做個樣例
//先看下class_addMethod定義，幾個參數(shù)容易理解。cls為需要增加方法的類，后三個參數(shù)對應(yīng)objc_method結(jié)構(gòu)體中的幾個成員。
OBJC_EXPORT BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types) OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);

// OC代碼
#import <UIKit/UIKit.h>
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
@interface A : NSObject
@property (nonatomic, assign) NSInteger a;
- (void)b;
@end
@implementation A
- (void)b {
}
@end
int c(NSString *str) {
    NSLog(@"c");
    return 0;
}
int main(int argc, char * argv[]) {
    class_addMethod([A class], @selector(c:), (IMP)c, "i@");
    A *aObject = [[A alloc] init];
    [aObject performSelector:@selector(c:)];
}

// 輸出，可見完成了方法c的調(diào)用。
2016-12-29 15:51:17.931 block[60624:567679] c

本節(jié)內(nèi)容大致到這，SEL、IMP你應(yīng)該搞懂了，現(xiàn)在只剩下兩個問題：
1、isa、super_class有什么用？怎么用？
2、objc_msgSend到底如何工作？

四、objc_msgSend工作原理和實例方法調(diào)用

1、objc_msgSend工作原理

偽代碼

// 首先看一下objc_msgSend的方法實現(xiàn)的偽代碼
id objc_msgSend(id self, SEL op, ...) {
   if (!self) return nil;
   // 關(guān)鍵代碼（a）
   IMP imp = class_getMethodImplementation(self->isa, SEL op);
   imp(self, op, ...); // 調(diào)用這個函數(shù)，偽代碼...
}
// 查找IMP
IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL sel) {
    if (!cls || !sel) return nil;
    IMP imp = lookUpImpOrNil(cls, sel);
    if (!imp) {
      ... // 執(zhí)行動態(tài)綁定
    }
    IMP imp = lookUpImpOrNil(cls, sel);
    if (!imp) return _objc_msgForward; // 這個是用于消息轉(zhuǎn)發(fā)的
    return imp;
}
// 遍歷繼承鏈，查找IMP
IMP lookUpImpOrNil(Class cls, SEL sel) {
    if (!cls->initialize()) {
        _class_initialize(cls);
    }
    Class curClass = cls;
    IMP imp = nil;
    do { // 先查緩存,緩存沒有時重建,仍舊沒有則向父類查詢
        if (!curClass) break;
        if (!curClass->cache) fill_cache(cls, curClass);
        imp = cache_getImp(curClass, sel);
        if (imp) break;
    } while (curClass = curClass->superclass); // 關(guān)鍵代碼（b）
    return imp;
}

分析
首先在Class中的緩存查找imp（沒緩存則初始化緩存），如果沒找到，則向父類的Class查找。如果一直查找到根類仍舊沒有實現(xiàn)，則用_objc_msgForward函數(shù)指針代替imp。最后，執(zhí)行這個imp。

2、實例方法調(diào)用

代碼

// 實例方法調(diào)用，參照一
objc_msgSend(aObject, sel_registerName("b"));

// 參照二中實例對象的結(jié)構(gòu)
typedef struct objc_class *Class;
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

// 順便給出objc_class結(jié)構(gòu)
struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

分析
結(jié)合關(guān)鍵代碼（a）、關(guān)鍵代碼（b）和上述結(jié)構(gòu)，大概可以猜到實例方法的調(diào)用順序：
1、將一個objc_object結(jié)構(gòu)體的isa指針（即其對應(yīng)的objc_class結(jié)構(gòu)體）和一個方法名SEL傳入class_getMethodImplementation。
2、在class_getMethodImplementation方法中，使用lookUpImpOrNil遍歷繼承鏈，若返回nil，則消息轉(zhuǎn)發(fā)（消息轉(zhuǎn)發(fā)下一章在講）。
3、在lookUpImpOrNil遍歷繼承鏈，即先在當(dāng)前objc_class的cache中查找SEL，若沒有，則在methodLists中查找，若存在，則將其放入該objc_class的cache中，然后返回IMP。若不存在，則通過super_class指針找到該class的父class，繼續(xù)該步驟直到NSObject停止（NSObject的super_class指向nil）。
4、執(zhí)行得到的IMP。

調(diào)用順序的第3步也解釋了objc_class 結(jié)構(gòu)體中cache的存在意義。

圖示

實例對象的isa和繼承鏈

3、結(jié)論與問題

本節(jié)介紹了objc_msgSend工作原理、objc_object的isa和objc_class的super_class等的使用方式，但是有一個和本章相關(guān)的成員沒有提到，即objc_class結(jié)構(gòu)體的isa指針。無疑，它是和類方法的調(diào)用直接相關(guān)的。

五、類方法調(diào)用和元類（metaClass）

上面留下的最后一個問題，objc_class結(jié)構(gòu)體的isa指針問題。無疑是和類方法調(diào)用直接相關(guān)的。

1、類方法調(diào)用與實例方法調(diào)用區(qū)別

類方法的調(diào)用和實例方法顯然不用，后者是需要先創(chuàng)建一個實例，而這個實例在堆中有自己對應(yīng)的objc_object結(jié)構(gòu)體，是以這個結(jié)構(gòu)體對應(yīng)的其“私有”的objc_class結(jié)構(gòu)體為基礎(chǔ)進(jìn)行消息傳遞的。
那么，類方法呢？類方法不需要創(chuàng)建實例，每個類都有一個自己對應(yīng)的現(xiàn)成的objc_class結(jié)構(gòu)體。而類方法的調(diào)用也是以這個“公有”的objc_class結(jié)構(gòu)體做操作的。

公有、私有指的是每個對象實例都有自己的objc_class（私有），實例方法的調(diào)用也是通過這個私有的objc_class，而每個類只有一個對應(yīng)的objc_class（公有），任何地方調(diào)用類方法，都是通過這個公有的objc_class。

2、methodLists中的方法

代碼

// OC代碼
#import <UIKit/UIKit.h>
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
@interface A : NSObject
@property (nonatomic, assign) NSInteger a;
- (void)b;
+ (void)d;
@end
@implementation A
- (void)b {
    NSLog(@"b");
}
+ (void)d {
    NSLog(@"d");
}
@end
int main(int argc, char * argv[]) {  
    // 在A對應(yīng)的objc_class結(jié)構(gòu)體的繼承鏈中找到實例方法b
    IMP bIMP = class_getMethodImplementation([A class], @selector(b));
    // 執(zhí)行IMP
    bIMP();
}

// 輸出
2016-12-29 18:21:39.810 block[74277:689120] b

分析
可知，可以從A的objc_class的methodLists找到方法b。但是，嘗試將

IMP bIMP = class_getMethodImplementation([A class], @selector(b));

改為

IMP bIMP = class_getMethodImplementation([A class], @selector(d));

執(zhí)行代碼，會crash?？梢缘贸鼋Y(jié)論，objc_class的methodLists中只存有實例方法，并沒有類方法。那么類方法在哪里？

類方法的位置

// OC代碼
#import <UIKit/UIKit.h>
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
@interface A : NSObject
@property (nonatomic, assign) NSInteger a;
- (void)b;
+ (void)d;
@end
@implementation A
- (void)b {
    NSLog(@"b");
}
+ (void)d {
    NSLog(@"d");
}
@end
int main(int argc, char * argv[]) {
    // 獲取A類對應(yīng)的metaClass
    Class aMeta = objc_getMetaClass(class_getName([A class]));
    // 在metaClass中找類方法d
    IMP dIMP = class_getMethodImplementation(aMeta, @selector(d));
    dIMP();
}

// 輸出
2016-12-29 18:27:19.290 block[74821:695164] d

可知，A的objc_class結(jié)構(gòu)體有一個現(xiàn)成的metaClass，而它存有A類的類方法。這里大概可以想到A類的objc_class結(jié)構(gòu)體里面的isa指針指向這個metaClass。

當(dāng)然，metaClass里面只存了類方法，沒有實例方法。

3、元類（metaClass）

由代碼

Class aMeta = objc_getMetaClass(class_getName([A class]));

可知，元類也是一個objc_class結(jié)構(gòu)體。而相應(yīng)的也有isa和super_class成員。super_class比較好理解，參照四中objc_msgSend實現(xiàn)，用于在繼承鏈上方法的查找。而元類的isa均指向NSObject對應(yīng)的元類，這里不多解釋（NSObject對應(yīng)元類的isa指向自己，其super_class指向NSObject，也不解釋了）。

4、類方法調(diào)用流程

// 類方法調(diào)用，參照一
objc_msgSend(objc_getClass("A"), sel_registerName("c"));

// 順便給出objc_class結(jié)構(gòu)
struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

可知，objc_getClass("A")，即為獲取A的class，結(jié)合四中objc_msgSend實現(xiàn)，將其isa指針指向的metaClass傳入class_getMethodImplementation來進(jìn)行查找，符合我們的預(yù)期。其后的步驟與實例方法相同。

5、類調(diào)用圖示

類的isa和繼承鏈

六、結(jié)論

結(jié)合四和五的圖展示，現(xiàn)在，你看懂這個圖了嗎。（可以發(fā)現(xiàn)本文在四中留下了兩個疑問，即動態(tài)綁定和消息轉(zhuǎn)發(fā)，且等下一篇分享）

runtime經(jīng)典圖

七、文獻(xiàn)

1、http://yulingtianxia.com/blog/2014/11/05/objective-c-runtime/
2、http://blog.csdn.net/reylen/article/details/50440450
3、http://cocoasamurai.blogspot.jp/2010/01/understanding-objective-c-runtime.html
4、http://blog.ibireme.com/2013/11/26/objective-c-messaging/
5、https://github.com/opensource-apple/objc4

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runtime進(jìn)行曲，objc_msgSend的前世今生（一）

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一、objc_msgSend的兩種姿勢

二、objc_object和objc_class

三、objc_method、SEL和IMP

四、objc_msgSend工作原理和實例方法調(diào)用

1、objc_msgSend工作原理

2、實例方法調(diào)用

3、結(jié)論與問題

五、類方法調(diào)用和元類（metaClass）

1、類方法調(diào)用與實例方法調(diào)用區(qū)別

2、methodLists中的方法

3、元類（metaClass）

4、類方法調(diào)用流程

5、類調(diào)用圖示

六、結(jié)論

七、文獻(xiàn)

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一、objc_msgSend的兩種姿勢

二、objc_object和objc_class

三、objc_method、SEL和IMP

四、objc_msgSend工作原理和實例方法調(diào)用

1、objc_msgSend工作原理

2、實例方法調(diào)用

3、結(jié)論與問題

五、類方法調(diào)用和元類（metaClass）

1、類方法調(diào)用與實例方法調(diào)用區(qū)別

2、methodLists中的方法

3、元類（metaClass）

4、類方法調(diào)用流程

5、類調(diào)用圖示

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3、元類（metaClass）

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七、文獻(xiàn)