探秘Runtime - Runtime介紹

該文章屬于劉小壯原創，轉載請注明：劉小壯

Runtime是iOS系統中重要的組成部分，面試也是必問的問題，所以Runtime是一個iOS工程師必須掌握的知識點。

現在市面上有很多關于Runtime的學習資料，也有不少高質量的，但是大多數質量都不是很高，而且都只介紹某個點，并不全面。

這段時間正好公司內部組織技術分享，我分享的主題就是Runtime，我把分享的資料發到博客，大家一起學習交流。

文章都是我的一些筆記，和平時的技術積累。個人水平有限，文章有什么問題還請各位大神指導，謝謝！??

描述

OC語言是一門動態語言，會將程序的一些決定工作從編譯期推遲到運行期。由于OC語言運行時的特性，所以其不只需要依賴編譯器，還需要依賴運行時環境。

OC語言在編譯期都會被編譯為C語言的Runtime代碼，二進制執行過程中執行的都是C語言代碼。而OC的類本質上都是結構體，在編譯時都會以結構體的形式被編譯到二進制中。Runtime是一套由C、C++、匯編實現的API，所有的方法調用都叫做發送消息。

根據Apple官方文檔的描述，目前OC運行時分為兩個版本，Modern和Legacy。二者的區別在于Legacy在實例變量發生改變后，需要重新編譯其子類。Modern在實例變量發生改變后，不需要重新編譯其子類。

Runtime不只是一些C語言的API，其由Class、Meta Class、Instance、Class Instance組成，是一套完整的面向對象的數據結構。所以研究Runtime整體的對象模型，比研究API是怎么實現的更有意義。

使用Runtime

Runtime是一個共享動態庫，其目錄位于/usr/include/objc，由一系列的C函數和結構體構成。和Runtime系統發生交互的方式有三種，一般都是用前兩種：

  1. 使用OC源碼
    直接使用上層OC源碼，底層會通過Runtime為其提供運行支持，上層不需要關心Runtime運行。
  2. NSObject
    在OC代碼中絕大多數的類都是繼承自NSObject的，NSProxy類例外。Runtime在NSObject中定義了一些基礎操作，NSObject的子類也具備這些特性。
  3. Runtime動態庫
    上層的OC源碼都是通過Runtime實現的，我們一般不直接使用Runtime，直接和OC代碼打交道就可以。

使用Runtime需要引入下面兩個頭文件，一些基礎方法都定義在這兩個文件中。

#import <objc/runtime.h>
#import <objc/message.h>

對象模型

下面圖中表示了對象間isa的關系，以及類的繼承關系。

對象模型

從Runtime源碼可以看出，每個對象都是一個objc_object的結構體，在結構體中有一個isa指針，該指針指向自己所屬的類，由Runtime負責創建對象。

類被定義為objc_class結構體，objc_class結構體繼承自objc_object，所以類也是對象。在應用程序中，類對象只會被創建一份。在objc_class結構體中定義了對象的method list、protocol、ivar list等，表示對象的行為。

既然類是對象，那類對象也是其他類的實例。所以Runtime中設計出了meta class，通過meta class來創建類對象，所以類對象的isa指向對應的meta class。而meta class也是一個對象，所有元類的isa都指向其根元類，根原類的isa指針指向自己。通過這種設計，isa的整體結構形成了一個閉環。

// 精簡版定義
typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
}

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

在對象的繼承體系中，類和元類都有各自的繼承體系，但它們都有共同的根父類NSObject，而NSObject的父類指向nil。需要注意的是，上圖中Root Class(Class)是NSObject類對象，而Root Class(Meta)是NSObject的元類對象。

基礎定義

在objc-private.h文件中，有一些項目中常用的基礎定義，這是最新的objc-723中的定義，可以來看一下。

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

typedef struct method_t *Method;
typedef struct ivar_t *Ivar;
typedef struct category_t *Category;
typedef struct property_t *objc_property_t;

IMP

在Runtime中IMP本質上就是一個函數指針，其定義如下。在IMP中有兩個默認的參數id和SEL，id也就是方法中的self，這和objc_msgSend()函數傳遞的參數一樣。

typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ );

Runtime中提供了很多對于IMP操作的API，下面就是不分IMP相關的函數定義。我們比較常見的是method_exchangeImplementations函數，Method Swizzling就是通過這個API實現的。

OBJC_EXPORT void
method_exchangeImplementations(Method _Nonnull m1, Method _Nonnull m2) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nonnull
method_setImplementation(Method _Nonnull m, IMP _Nonnull imp) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nonnull
method_getImplementation(Method _Nonnull m) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nullable
class_getMethodImplementation(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull name) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
// ....

獲取IMP

通過定義在NSObject中的下面兩個方法，可以根據傳入的SEL獲取到對應的IMP。methodForSelector:方法不只實例對象可以調用，類對象也可以調用。

- (IMP)methodForSelector:(SEL)aSelector;
+ (IMP)instanceMethodForSelector:(SEL)aSelector;

例如下面創建C函數指針用來接收IMP，獲取到IMP后可以手動調用IMP，在定義的C函數中需要加上兩個隱藏參數。

void (*function) (id self, SEL _cmd, NSObject object);

function = (id self, SEL _cmd, NSObject object)[self methodForSelector:@selector(object:)];

function(instance, @selector(object:), [NSObject new]);

性能優化

通過這些API可以進行一些優化操作。如果遇到大量的方法執行，可以通過Runtime獲取到IMP，直接調用IMP實現優化。

TestObject *object = [[TestObject alloc] init];
void(*function)(id, SEL) = (void(*)(id, SEL))class_getMethodImplementation([TestObject class], @selector(testMethod));
function(object, @selector(testMethod));

在獲取和調用IMP的時候需要注意，每個方法默認都有兩個隱藏參數，所以在函數聲明的時候需要加上這兩個隱藏參數，調用的時候也需要把相應的對象和SEL傳進去，否則可能會導致Crash。

IMP for block

Runtime還支持block方式的回調，我們可以通過Runtime的API，將原來的方法回調改為block的回調。

// 類定義
@interface TestObject : NSObject
- (void)testMethod:(NSString *)text;
@end

// 類實現
@implementation TestObject
- (void)testMethod:(NSString *)text {
    NSLog(@"testMethod : %@", text);
}
@end

// runtime
IMP function = imp_implementationWithBlock(^(id self, NSString *text) {
    NSLog(@"callback block : %@", text);
});
const char *types = sel_getName(@selector(testMethod:));
class_replaceMethod([TestObject class], @selector(testMethod:), function, types);
    
TestObject *object = [[TestObject alloc] init];
[object testMethod:@"lxz"];

// 輸出
callback block : lxz

Method

Method用來表示方法，其包含SEL和IMP，下面可以看一下Method結構體的定義。

typedef struct method_t *Method;

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
};

在運行過程中是這樣。

Method

在Xcode進行編譯的時候，只會將Xcode的Compile Sources中.m聲明的方法編譯到Method List，而.h文件中聲明的方法對Method List沒有影響。

Property

在Runtime中定義了屬性的結構體，用來表示對象中定義的屬性。@property修飾符用來修飾屬性，修飾后的屬性為objc_property_t類型，其本質是property_t結構體。其結構體定義如下。

typedef struct property_t *objc_property_t;

struct property_t {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

可以通過下面兩個函數，分別獲取實例對象的屬性列表，和協議的屬性列表。

objc_property_t * class_copyPropertyList（Class cls，unsigned int * outCount）
objc_property_t * protocol_copyPropertyList（Protocol * proto，unsigned int * outCount）

可以通過下面兩個方法，傳入指定的Class和propertyName，獲取對應的objc_property_t屬性結構體。

objc_property_t class_getProperty（Class cls，const char * name）
objc_property_t protocol_getProperty（Protocol * proto，const char * name，BOOL isRequiredProperty，BOOL isInstanceProperty）

分析實例變量

對象間關系

在OC中絕大多數類都是繼承自NSObject的(NSProxy例外)，類與類之間都會存在繼承關系。通過子類創建對象時，繼承鏈中所有成員變量都會存在對象中。

例如下圖中，父類是UIViewController，具有一個view屬性。子類UserCenterViewController繼承自UIViewController，并定義了兩個新屬性。這時如果通過子類創建對象，就會同時包含著三個實例變量。

對象間關系

但是類的結構在編譯時都是固定的，如果想要修改類的結構需要重新編譯。如果上線后用戶安裝到設備上，新版本的iOS系統中更新了父類的結構，也就是UIViewController的結構，為其加入了新的實例變量，這時用戶更新新的iOS系統后就會導致問題。

對象間關系

原來UIViewController的結構中增加了childViewControllers屬性，這時候和子類的內存偏移就發生沖突了。只不過，Runtime有檢測內存沖突的機制，在類生成實例變量時，會判斷實例變量是否有地址沖突，如果發生沖突則調整對象的地址偏移，這樣就在運行時解決了地址沖突的問題。

內存布局

類的本質是結構體，在結構體中包含一些成員變量，例如method list、ivar list等，這些都是結構體的一部分。method、protocol、property的實現這些都可以放到類中，所有對象調用同一份即可，但對象的成員變量不可以放在一起，因為每個對象的成員變量值都是不同的。

創建實例對象時，會根據其對應的Class分配內存，內存構成是ivars+isa_t。并且實例變量不只包含當前Class的ivars，也會包含其繼承鏈中的ivars。ivars的內存布局在編譯時就已經決定，運行時需要根據ivars內存布局創建對象，所以Runtime不能動態修改ivars，會破壞已有內存布局。

內存布局

(上圖中，x表示地址對其后的空位)

以上圖為例，創建的對象中包含所屬類及其繼承者鏈中，所有的成員變量。因為對象是結構體，所以需要進行地址對其，一般OC對象的大小都是8的倍數。

也不是所有對象都不能動態修改ivars，如果是通過runtime動態創建的類，是可以修改ivars的。這個在后面會有講到。

ivar讀寫

實例變量的isa_t指針會指向其所屬的類，對象中并不會包含method、protocol、property、ivar等信息，這些信息在編譯時都保存在只讀結構體class_ro_t中。在class_ro_t中ivars是const只讀的，在image load時copy到class_rw_t中時，是不會copy ivars的，并且class_rw_t中并沒有定義ivars的字段。

在訪問某個成員變量時，直接通過isa_t找到對應的objc_class，并通過其class_ro_t的ivar list做地址偏移，查找對應的對象內存。正是由于這種方式，所以對象的內存地址是固定不可改變的。

方法傳參

當調用實例變量的方法時，會通過objc_msgSend()發起調用，調用時會傳入self和SEL。函數內部通過isa在類的內部查找方法列表對應的IMP，傳入對應的參數并發起調用。如果調用的方法時涉及到當前對象的成員變量的訪問，這時候就是在objc_msgSend()內部，通過類的ivar list判斷地址偏移，取出ivar并傳入調用的IMP中的。

調用super的方式時則調用objc_msgSendSuper()函數實現，調用時將實例變量的父類傳進去。但是需要注意的是，調用objc_msgSendSuper函數時傳入的對象，也是當前實例變量，所以是在向自己發送父類的消息。具體可以看一下[self class]和[super class]的結果，結果應該都是一樣的。

在項目中經常會通過[super xxx]的方式調用父類方法，這是因為需要先完成父類的操作，當然也可以不調用，視情況而定。以經常見到的自定義init方法中，經常會出現if (self = [super init])的調用，這是在完成自己的初始化之前先對父類進行初始化，否則只初始化自身可能會存在問題。在調用[super init]時如果返回nil，則表示父類初始化失敗，這時候初始化子類肯定會出現問題，所以需要做判斷。

參考資料

Apple Runtime Program Guild
維基百科-Objective-C
維基百科-Clang
維基百科-GCC(GNU)

蘋果開源代碼不建議去Github，上面的版本一般更新不及時，建議去蘋果的開源官網。
Apple Opensource

簡書由于排版的問題，閱讀體驗并不好，布局、圖片顯示、代碼等很多問題。所以建議到我Github上，下載Runtime PDF合集。把所有Runtime文章總計九篇，都寫在這個PDF中，而且左側有目錄，方便閱讀。

Runtime PDF

下載地址：Runtime PDF
麻煩各位大佬點個贊，謝謝！??

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