简介

  • Objective-C是一门动态性特别强的变成语言，跟C、C++等语言有着很大的不同

  • Objective-C的动态特性是有Runtime API来支撑的

  • Runtime API提供的接口基本上是C语言的，源码由C/C++汇编语言编写

isa详解-位域

​ 对象的isa

  • 想要学习Runtime，首先要了解他底层的一些常用数据结构，比如isa指针

  • 在arm64架构之前，isa就是一个普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址

  • 从arm64架构开始，对isa进行了优化，变成了一个共用体(union)结构，还使用位域来存储更多的信息

    isa.png

    • nonpointer
      • 0：代表普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址
      • 1：代表优化过，使用位域存储更多的信息
      • has_assoc
      • 是否有设置过关联对象。如果没有，释放时会更快
      • has_cxx_dtor
      • 是否有C++的析构函数(.cxx_destruct)，如果没有释放时会更快
      • shiftcls
      • 存储着Class、Meta-Class对象的内存地址信息
      • magic
      • 用于在调试时分辨对象是否未完成初始化
      • weakly_referenced
      • 是否有被弱引用只想过，如果没有，释放时会更快
      • deallocating
      • 对象是否正在释放
      • extra_rc
      • 里面存储的值是引用计数器减1
      • has_sidetable_rc
      • 引用计数器是否过大无法存储在isa中
      • 如果为1，那么引用计数会存储在一个叫SideTable的类的属性中

类对象

class的结构

class结构.png

class_rw_t

class_rw_t里面的methods、properties、protocols是二位数组，是可读可写的包含了类的初始内容、分类内容

rw_t.png

class_ro_t

class_ro_t里面的baseMethodList、baseProtocols、ivars、baseProperties是一维数组，是只读的，包含了类的初始内容

ro_t.png

method_t

method_t是对方法\函数的封装

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struct method_t {
  SEL name; // 函数名
  const char *types; // 编码(返回值类型、参数类型)
  IMP imp; // 指向函数的指针
}

  • IMP代表函数的具体实现

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    typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...);

  • SEL代表方法\函数名，一般叫做选择器，底层结构跟char*类似

    • 可以通过@seelctor()和sel_registarName()获得
    • 可以通过sel_getName()和NSStringFromSelector()转成字符串
    • 不同类中相同名字的方法，所对应的方法选择器是相同的
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    typedef struct objc_selector *SEL;

  • types包含了函数的返回值、参数编码的字符串，参阅Type Encoding。

    types.png

cache_t

  1. Class内部结构中有个方法缓存(cache_t)，用==散列表(哈希值)==来缓存曾经调用过的方法，可以提高方法的查找速度

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    struct cache_t {
      struct bucket_t *_buckets; // 散列表
      mask_t _mask; // 散列表长度-1
      mask_t _occupied; // 已经缓存的方法数量
    }

    struct bucket_t {
      cache_key_t _key; // SEL作为key
      IMP _imp; // 函数的内存地址
    }

  2. 缓存查找

    • objc-cache.mm

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      bucket_t * cache_t::find(cache_key_t k, id receiver)

Type Encoding

ios中提供了一个叫做@encode的指令，可以将具体的类型表示成字符串编码

code Meaning
c A char
i An int
s A short
l A long. l is treated as a 32-bit quantity on 64-bit programs.
q A long long
c An unsigned char
I An unsigned int
s An unsigned short
L An unsigned long
Q An unsigned long long
f A float
d A double
B A C++ bool or a C99 Bool
v A void
* A character string (char *)
@ An object(whether statically typed or typed id)
# A class object(Class)
: A method selector(SEL)
[array type] An array
{name=type…} A structure
(name=type…) A union
bunm A bit field of num bits
^type A pointer to type
? An unknow type(among other things, this code is used for function pointers)

objc_msgSend

消息机制：给方法调用者发送消息

OC中的方法调用，其实都是转化为objc_msgSend函数调用

执行流程

objc_msgSend的执行流程分为3大阶段：

消息发送

msgsend.png

  • 如果是从class_rw_t中查找方法

    • 已经排序：二分查找

    • 没有排序：便利查找

    • receiver通过isa指针找到receiverClass

    • receiverClass通过superclass指针找到superClass

动态方法解析

动态解析.png

  • 开发者可以实现以下方法来
    • +resolveInstanceMethod:
    • +resolveClassMethod:
  • 动态解析过后，会重新走“消息发送”的流程
    • 从receiverClass的cache中查找方法这一步开始执行
消息转发

repost.png

  • 开发者可以在forwardInvocation:方法中自定义任何逻辑

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    - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
    {
        if (aSelector == sel_registerName("test")) {
            return [OtherClass new];
        }
        return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
    }

  • 以上方法都有对象方法、类方法2个版本（前面可以是加号+，也可以是减号-）

    • 类方法xcode会出现无代码提示

  • methodSignatureForSelector:方法签名

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    - (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector
    {
        if (aSelector == sel_registerName("test")) {
          //  [[OtherClass new] methodSignatureForSelector:aSelector]
            return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
        }
        return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
    }

  • - (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation

    • 封装了一个方法调用，包括：方法调用者、方法名、方法参数
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    - (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
    {
        anInvocation.target = [OtherClass new];
    }

动态添加方法

  1. OC

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    - (void)other
    {
    	NSLog(@"%s", __func__);
    }

    + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
    {
        if (sel == @selector(test)) {
            Method method = class_getInstanceMethod(self, @selector(other));
            class_addMethod(self, sel, method_getImplementation(method), method_getTypeEncoding(method))
              returun YES;
        }
        return [super resolveInstanceMethod:sel];
    }
    • Method可以理解为等价于struct method_t *

  2. C

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    void other(id self, SEL _cmd) {
        NSLog(@"%@ - %s - %s", self, sel_getName(_cmd, __func__);
    }

    + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
    {
        if (sel == @selector(test)) {
            class_addMethod(self, sel, (IMP)other, "v@:");
            return YES;
        }
        return [super resolveInstanceMethod:sel];
    }
  • @dynamic是告诉编译器不用自动生成getter和setter的实现，等到运行时再添加方法实现

super本质

  • super调用，底层会转换为objc_msgSendSuper2函数的调用个，接收两个参数

    • struct objc_super2

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      struct objc_super2 {
        id receiver;
        Class current_class;
      }

    • SEL

  • receiver是消息接受者

  • curretn_class是receiver的Class对象

LLVM

  • Objective-C在变为机器代码之前，会被LLVM编译器转为中间代码(Intermediate Representation)
  • 可以使用以下命令行指令生成中间代码
    • clang -emit-llvm -S main.m
  • 语法简介
    • @ - 全局变量
    • % - 局部变量
    • alloca - 在当前执行的函数的堆栈中分配内存，但该函数返回到其调用者时，将自动释放内存
    • i32 - 32位4字节的整数
    • align - 对其
    • load - 读出，stroe 写入
    • icmp - 两个整数值比较，返回布尔值
    • br - 选择分支，根据条件来转向label，不根据条件跳转的话类似goto
    • label - 代码标签
    • call - 调用函数
  • 具体可以参考官方文档：https://llvm.org/docs/LangRef.html

API

类

  • 动态创建一个类

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    /**
    	superclass: 父类，name: 类名，extraBytes: 额外的内存空间
    */
    Class objc_allocateClassPair(Class superclass, const char *name, size_t extraBytes);

  • 注册一个类

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    void objc_registerClassPair(Class cls);

  • 销毁一个类

    1
    void objc_disposeClassPair(Class cls);

  • 获取isa指向的Class

    1
    Class object_getClass(id obj);

  • 设置isa指向的Class

    1
    Class object_setClass(id obj, Class cls);

  • 判断一个对象是否为Class

    1
    BOOL object_isClass(id obj);

  • 判断对象是否是元类

    1
    BOOL class_isMetaClass(Class cls);

  • 获取父类

    1
    Class class_getSuperclass(Class cls);

成员变量

  • 获取一个实例变量信息

    1
    Ivar class_getInstanceVariable(Class cls, const char *name);

  • 拷贝实例变量列表（最后需要调用free释放）

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    Ivar *class_copyIvarList(Class cls, unsigned int *outCount);

  • 设置和获取成员变量的值

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    void object_setIvar(id obj, Ivar ivar, id value);
    id object_getIvar(id obj, Ivar ivar);

  • 动态添加成员变量（已经注册的类是不能动态添加成员变量的）

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    /**
    	cls: 添加的类
    	name： 变量名
    	size：大小
    	alignment： 对齐， 1
    	types：类型编码 @encode()
    */
    BOOL class_addIvar(Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types);

  • 获取成员变量的相关信息

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    const char *ivar_getName(Ivar v); // 变量名
    const char *ivar_getTypeEncoding(Ivar v); // 变量 类型编码

方法

  • 获得一个实例方法、类方法

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    Method class_getInstanceMethod(Class cls, SEL name);
    Method class_getClassMethod(Class cls, SEL name)

  • 方法实现相关操作

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    IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL name);
    IMP method_setImplementation(Method m, IMP imp);
    void method_exchangeImplementations(Method m1, Method m2);

  • 拷贝方法列表（最后需要调用free释放）

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    Method *class_copyMethodList(Class cls, unsigned int *outCount);

  • 动态添加方法

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    BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types);

  • 动态替换方法

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    IMP class_replaceMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types);

  • 获取方法的相关信息（带有copy的需要调用free去释放）

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    SEL method_getName(Method m);
    IMP method_getImplementation(Method m);
    const char *method_getTypeEncoding(Method m);
    unsigned int method_getNumberOfArguments(Method m);
    char *method_copyReturnType(Method m);
    char *method_copyArgumentType(Method m, unsigned int index);

  • 选择器相关

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    const char *sel_getName(SEL sel);
    SEL sel_registerName(const char *str);

  • 用block作为方法实现

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    IMP imp_implementationWithBlock(id block);
    id imp_getBlock(IMP anImp);
    BOOL imp_removeBlock(IMP anImp);

常见问题

  1. OC消息机制

    • OC中的方法掉用其实都是转成了objc_msgSend函数的调用，给方法调用者发送了一条消息(方法名)

    • objc_msgSend底层有3大阶段

      • 消息发送（当前类、父类中查找）、动态方法解析、消息转发

  2. 什么是Runtime

    • OC是一门动态性比较强的编程语言，允许很多操作推迟到程序运行时再进行
    • OC的动态性就是由Runtime来支撑和实现的，Runtime是一套C语言的API，封装了很多动态性相关的函数
    • 平时编写的OC代码，底层都是转换成了Runtime API进行调用

  3. 具体应用

    • 利用关联对象（AssociatedObject）给分类添加属性
    • 遍历类的所有成员变量（修改textfield的占位文字颜色、字典转模型、自动归档解档）
    • 交换方法实现（交换系统的方法）
    • 利用消息转发机制解决方法找不到的异常问题
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