本文主要學習Objective-C的runtime源碼時整理所成，主要剖析了category在runtime層的實現原理以及和category相關的方方面面，內容包括：
1、category簡介
category是Objective-C 2.0之后添加的語言特性，主要作用是為已經存在的類添加方法。除此之外 apple還推薦了另外兩個使用場景
*可以把類的實現分開在幾個不同的文件里面。這樣做有幾個顯而易見的好處：a)可以減少單個文件的體積 b）可以把不同的功能組織到不同的category里 c)可以由多個開發者共同完成一個類 d)可以按需加載想要的分類。
* 聲明私有方法
其他使用場景：模擬多繼承? 、把framework的私有方法公開
2、category和extension
extension看起來很像一個匿名的category，但是extension和有名字的category幾乎完全是兩個東西。extension在編譯期決議，它是類的一部分，在編譯期和頭文件里的@interface以及實現文件里的@implement一起形成一個完整的類，它伴隨類的產生而產生，亦隨之消亡。extension一般用來隱藏類的私有信息，你必須有一個類的源碼才能為一個類添加extension 所以你無法為系統的類 比如NSString 添加extension(詳見2)。 但是category完全不一樣 它是在運行期決議的? 就兩者的區別來看 我們可以推到出一個事實?extension可以添加實例變量，而category無法添加實例變量(因為在運行期，對象的內存布局已將確定， 如果添加實例變量就會破壞類的內部布局，這對編譯語言是致命的)。
3、category真面目
我們知道，所有的oc類 和對象在runtime層都是用struct表示的，category也不例外，在runtime層，category用結構體category_t(在下載objc源碼objc-runtime -new
.h 可以找到定義)，它包含了：類的名字、類、category中所有給類添加的實例方法的列表、category中所有添加的類方法的列表、category實現的所有協議的列表、category中添加的所有屬性
typedef struct category_t {
??????? const char *name;
??????? classref_t cls;
??????? struct method_list_t *instanceMethods;
??????? struct method_list_t *classMethods;
??????? struct protocol_list_t *protocols;
??????? struct property_list_t *instanceProperties;
??? }category_t;
從category的定義也可以看出category的可為（可以添加實例方法，類方法，甚至可以實現協議，添加屬性）和不可為（無法添加實例變量）。
我們寫一個category看一下是什么：
然后clang命令 clang -rewrite-objc MyClass.m 看看會變成什么 會得到如下代碼片段
staticstruct/*_method_list_t*/{unsignedintentsize;// sizeof(struct _objc_method)unsignedintmethod_count;struct_objc_method method_list[1];} _OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {sizeof(_objc_method),1,{{(structobjc_selector *)"printName","v16@0:8", (void*)_I_MyClass_MyAddition_printName}}};staticstruct/*_prop_list_t*/{unsignedintentsize;// sizeof(struct _prop_t)unsignedintcount_of_properties;struct_prop_tprop_list[1];} _OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {sizeof(_prop_t),1,{{"name","T@\"NSString\",C,N"}}};extern"C"__declspec(dllexport)struct_class_tOBJC_CLASS_$_MyClass;staticstruct_category_t_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) ={"MyClass",0,// &OBJC_CLASS_$_MyClass,(conststruct_method_list_t*)&_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition,0,0,(conststruct_prop_list_t*)&_OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition,};staticvoidOBJC_CATEGORY_SETUP_$_MyClass_$_MyAddition(void) {_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition.cls = &OBJC_CLASS_$_MyClass;}#pragmasection(".objc_inithooks$B", long, read, write)__declspec(allocate(".objc_inithooks$B"))staticvoid*OBJC_CATEGORY_SETUP[] = {(void*)&OBJC_CATEGORY_SETUP_$_MyClass_$_MyAddition,};staticstruct_class_t*L_OBJC_LABEL_CLASS_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_classlist,regular,no_dead_strip")))= {&OBJC_CLASS_$_MyClass,};staticstruct_class_t*_OBJC_LABEL_NONLAZY_CLASS_$[] = {&OBJC_CLASS_$_MyClass,};staticstruct_category_t*L_OBJC_LABEL_CATEGORY_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_catlist,regular,no_dead_strip")))= {&_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition,};
我們可以看到，
1)、首先編譯器生成了實例方法列表OBJC$_CATEGORY_INSTANCE_METHODSMyClass$_MyAddition和屬性列表OBJC$_PROP_LISTMyClass$_MyAddition，兩者的命名都遵循了公共前綴+類名+category名字的命名方式，而且實例方法列表里面填充的正是我們在MyAddition這個category里面寫的方法printName，而屬性列表里面填充的也正是我們在MyAddition里添加的name屬性。還有一個需要注意到的事實就是category的名字用來給各種列表以及后面的category結構體本身命名，而且有static來修飾，所以在同一個編譯單元里我們的category名不能重復，否則會出現編譯錯誤。
2)、其次，編譯器生成了category本身OBJC$_CATEGORYMyClass$_MyAddition，并用前面生成的列表來初始化category本身。
3)、最后，編譯器在DATA段下的objc_catlist section里保存了一個大小為1的category_t的數組L_OBJC_LABELCATEGORY$（當然，如果有多個category，會生成對應長度的數組^_^），用于運行期category的加載。
到這里，編譯器的工作就接近尾聲了，對于category在運行期怎么加載，我們下節揭曉。
4、category如何加載
我們知道，Objective-C的運行是依賴OC的runtime的，而OC的runtime和其他系統庫一樣，是OS X和iOS通過dyld動態加載的。對于oc運行時入口代碼如下：
void_objc_init(void)
??? {
??????? staticboolinitialized =false;
??????? if(initialized)return;
??????? initialized =true;
??????? // fixme defer initialization until an objc-using image is found?
??????? environ_init();
??????? tls_init();
??????? lock_init();
??????? exception_init();
??????? // Register for unmap first, in case some +load unmaps something
??????? _dyld_register_func_for_remove_image(&unmap_image);?????? dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_bound,1/*batch*/, &map_images);
??????? dyld_register_image_state_change_handler(dyld_image_state_dependents_initialized,0/*not batch*/, &load_images);
??? }
category被附加到類上面是在map_images的時候發生的，在new-ABI的標準下，_objc_init里面的調用的map_images最終會調用objc-runtime-new.mm里面的_read_images方法，而在_read_images方法的結尾，有以下的代碼片段：
// Discover categories.
for(EACH_HEADER) {category_t**catlist = _getObjc2CategoryList(hi, &count);for(i =0; i < count; i++) {category_t*cat = catlist[i];class_t*cls = remapClass(cat->cls);if(!cls) {// Category's target class is missing (probably weak-linked).// Disavow any knowledge of this category.catlist[i] =NULL;if(PrintConnecting) { _objc_inform("CLASS: IGNORING category \?\?\?(%s) %p with ""missing weak-linked target class", cat->name, cat); }continue; }// Process this category. // First, register the category with its target class. // Then, rebuild the class's method lists (etc) if // the class is realized. BOOL classExists = NO;if(cat->instanceMethods || cat->protocols || cat->instanceProperties) { addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);if(isRealized(cls)) { remethodizeClass(cls); classExists = YES; }if(PrintConnecting) { _objc_inform("CLASS: found category -%s(%s) %s", getName(cls), cat->name, classExists ?"on existing class":""); } }if(cat->classMethods || cat->protocols/* || cat->classProperties */) { addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->isa, hi);if(isRealized(cls->isa)) { remethodizeClass(cls->isa); }if(PrintConnecting) { _objc_inform("CLASS: found category +%s(%s)", getName(cls), cat->name); } } }
首先，我們拿到的catlist就是上節中講到的編譯器為我們準備的category_t數組，關于是如何加載catlist本身的，我們暫且不表，這和category本身的關系也不大，有興趣的同學可以去研究以下Apple的二進制格式和load機制。
略去PrintConnecting這個用于log的東西，這段代碼很容易理解：
1)、把category的實例方法、協議以及屬性添加到類上
2)、把category的類方法和協議添加到類的metaclass上
值得注意的是，在代碼中有一小段注釋 / ||? cat->classProperties /，看來蘋果有過給類添加屬性的計劃啊。
ok，我們接著往里看，category的各種列表是怎么最終添加到類上的，就拿實例方法列表來說吧：
在上述的代碼片段里，addUnattachedCategoryForClass只是把類和category做一個關聯映射，而remethodizeClass才是真正去處理添加事宜的功臣。
static void remethodizeClass(class_t *cls){ category_list *cats; BOOL isMeta; rwlock_assert_writing(&runtimeLock); isMeta = isMetaClass(cls);// Re-methodizing: check for more categoriesif((cats = unattachedCategoriesForClass(cls))) { chained_property_list *newproperties;constprotocol_list_t**newprotos;if(PrintConnecting) { _objc_inform("CLASS: attaching categories to class '%s' %s", getName(cls), isMeta ?"(meta)":""); }// Update methods, properties, protocolsBOOL vtableAffected = NO; attachCategoryMethods(cls, cats, &vtableAffected); newproperties = buildPropertyList(NULL, cats, isMeta);if(newproperties) { newproperties->next = cls->data()->properties; cls->data()->properties = newproperties; } newprotos = buildProtocolList(cats,NULL, cls->data()->protocols);if(cls->data()->protocols && cls->data()->protocols != newprotos) { _free_internal(cls->data()->protocols); } cls->data()->protocols = newprotos; _free_internal(cats);// Update method caches and vtablesflushCaches(cls);if(vtableAffected) flushVtables(cls); }}
而對于添加類的實例方法而言，又會去調用attachCategoryMethods這個方法，我們去看下attachCategoryMethods：
static void? attachCategoryMethods(class_t *cls, category_list *cats,BOOL *inoutVtablesAffected){
? ? if (!cats) return;
? ? if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats);
? ? BOOL isMeta = isMetaClass(cls);
? ? method_list_t **mlists = (method_list_t **)
? ? ? ? _malloc_internal(cats->count * sizeof(*mlists));
? ? // Count backwards through cats to get newest categories first
? ? int mcount = 0;
? ? int i = cats->count;
? ? BOOL fromBundle = NO;
? ? while (i--) {
? ? ? ? method_list_t *mlist = cat_method_list(cats->list[i].cat, isMeta);
? ? ? ? if (mlist) {
? ? ? ? ? ? mlists[mcount++] = mlist;
? ? ? ? ? ? fromBundle |= cats->list[i].fromBundle;
? ? ? ? }
? ? }
? ? attachMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle, inoutVtablesAffected);
? ? _free_internal(mlists);
}
attachCategoryMethods做的工作相對比較簡單，它只是把所有category的實例方法列表拼成了一個大的實例方法列表，然后轉交給了attachMethodLists方法（我發誓，這是本節我們看的最后一段代碼了^_^），這個方法有點長，我們只看一小段
for (uint32_t m = 0;
? ? ? ? ? ? (scanForCustomRR || scanForCustomAWZ)? &&? m < mlist->count;
? ? ? ? ? ? m++)
? ? ? ? {
? ? ? ? ? ? SEL sel = method_list_nth(mlist, m)->name;
? ? ? ? ? ? if (scanForCustomRR? &&? isRRSelector(sel)) {
? ? ? ? ? ? ? ? cls->setHasCustomRR();
? ? ? ? ? ? ? ? scanForCustomRR = false;
? ? ? ? ? ? } else if (scanForCustomAWZ? &&? isAWZSelector(sel)) {
? ? ? ? ? ? ? ? cls->setHasCustomAWZ();
? ? ? ? ? ? ? ? scanForCustomAWZ = false;
? ? ? ? ? ? }
? ? ? ? }
? ? ? ? // Fill method list array
? ? ? ? newLists[newCount++] = mlist;
? ? .
? ? .
? ? .
? ? // Copy old methods to the method list array
? ? for (i = 0; i < oldCount; i++) {
? ? ? ? newLists[newCount++] = oldLists[i];
? ? }
需要注意的有兩點：
1)、category的方法沒有“完全替換掉”原來類已經有的方法，也就是說如果category和原來類都有methodA，那么category附加完成之后，類的方法列表里會有兩個methodA
2)、category的方法被放到了新方法列表的前面，而原來類的方法被放到了新方法列表的后面，這也就是我們平常所說的category的方法會“覆蓋”掉原來類的同名方法，這是因為運行時在查找方法的時候是順著方法列表的順序查找的，它只要一找到對應名字的方法，就會罷休^_^，殊不知后面可能還有一樣名字的方法。
5、category和+load方法
我們知道在類和category中都可以有+load方法，有兩個問題：1）在類的+load方法調用的時候，我們可以調用category中聲明的方法嗎? 2)這些個+load方法調用順序是咋樣的？
我們的代碼里有MyClass和MyClass的兩個category （Category1和Category2），MyClass和兩個category都添加了+load方法，并且Category1和Category2都寫了MyClass的printName方法。
在Xcode中點擊Edit Scheme，添加如下兩個環境變量（可以在執行load方法以及加載category的時候打印log信息，更多的環境變量選項可參見objc-private.h）:
運行項目，我們會看到控制臺打印很多東西出來，我們只找到我們想要的信息，順序如下：
objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName]? by category Category1
objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName]? by category Category2
.
.
.
objc[1187]: LOAD: class 'MyClass' scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: category 'MyClass(Category1)' scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: category 'MyClass(Category2)' scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: +[MyClass load]
.
.
.
objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category1) load]
.
.
.
objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category2) load]
所以，對于上面兩個問題，答案是很明顯的：
1)、可以調用，因為附加category到類的工作會先于+load方法的執行
2)、+load的執行順序是先類，后category，而category的+load執行順序是根據編譯順序決定的。
目前的編譯順序是這樣的：
我們調整一個Category1和Category2的編譯順序，run。ok，我們可以看到控制臺的輸出順序變了：
objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category2
objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName]? by category Category1
.
.
.
objc[1187]: LOAD: class 'MyClass' scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: category 'MyClass(Category2)' scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: category 'MyClass(Category1)' scheduled for +load
objc[1187]: LOAD: +[MyClass load]
.
.
.
objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category2) load]
.
.
.
objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category1) load]
雖然對于+load的執行順序是這樣，但是對于“覆蓋”掉的方法，則會先找到最后一個編譯的category里的對應方法。
這一節我們只是用很直觀的方式得到了問題的答案，有興趣的同學可以繼續去研究一下OC的運行時代碼。
6、category和方法覆蓋
鑒于上面幾節我們已經把原理都講了，這一節只有一個問題:
怎么調用到原來類中被category覆蓋掉的方法？
對于這個問題，我們已經知道category其實并不是完全替換掉原來類的同名方法，只是category在方法列表的前面而已，所以我們只要順著方法列表找到最后一個對應名字的方法，就可以調用原來類的方法：
??? Class currentClass = [MyClass class];
??? MyClass *my = [[MyClass alloc] init];
??? if (currentClass) {
??????? unsigned int methodCount;
??????? Method *methodList = class_copyMethodList(currentClass, &methodCount);
??????? IMP lastImp = NULL;
??????? SEL lastSel = NULL;
??????? for (NSInteger i = 0; i < methodCount; i++) {
??????????? Method method = methodList[i];
??????????? NSString *methodName = [NSString stringWithCString:sel_getName(method_getName(method))
????????????????????????????????????????????????????? encoding:NSUTF8StringEncoding];
??????????? if ([@"printName" isEqualToString:methodName]) {
??????????????? lastImp = method_getImplementation(method);
??????????????? lastSel = method_getName(method);
??????????? }
??????? }
??????? typedef void (*fn)(id,SEL);
???????
??????? if (lastImp != NULL) {
??????????? fn f = (fn)lastImp;
??????????? f(my,lastSel);
??????? }
??????? free(methodList);
7、category和關聯對象
如上所見，我們知道在category里面是無法為category添加實例變量的。但是我們很多時候需要在category中添加和對象關聯的值，這個時候可以求助關聯對象來實現。
但是關聯對象又是存在什么地方呢？ 如何存儲？ 對象銷毀時候如何處理關聯對象呢？
我們去翻一下runtime的源碼，在objc-references.mm文件中有個方法_object_set_associative_reference：
嗯，runtime的銷毀對象函數objc_destructInstance里面會判斷這個對象有沒有關聯對象，如果有，會調用_object_remove_assocations做關聯對象的清理工作。
后記
正如侯捷先生所講-“源碼面前，了無秘密”，Apple的Cocoa Touch框架雖然并不開源，但是Objective-C的runtime和Core Foundation卻是完全開放源碼的
本系列runtime源碼學習將會持續更新，意猶未盡的同學可以自行到上述網站下載源碼學習。行筆簡陋，如有錯誤，望指正。
本文作者來自美團酒店旅游事業群iOS研發組(https://tech.meituan.com/DiveIntoCategory.html)
