Runtime基本原理及Demo

先說句題外話：大半年沒有耕耘自己的博客，之前都是把知識總結(jié)在自己的印象筆記中懶得排版編輯發(fā)出來，但時常有朋友來看我的博客還有點關(guān)注留言，讓我覺得即使自己知識比較淺薄，但把有營養(yǎng)的部分發(fā)出來也能幫助到他人，所以最近打算陸續(xù)將筆記回顧整理發(fā)出來。整理分享，與君共勉。

一、介紹

Runtime是Objective-C中底層的一套C語言API，是一個將C語言轉(zhuǎn)化為面向?qū)ο笳Z言的拓展。OC是一種面向?qū)ο蟮膭討B(tài)語言，動態(tài)語言就是在運行時執(zhí)行靜態(tài)語言的編譯連接的工作。OC編寫的程序不能直接編譯為及其讀懂的機(jī)器語言，在程序運行時，須通過Runtime來轉(zhuǎn)換。
Runtime的一切都圍繞兩個中心：類的動態(tài)配置 和 消息傳遞。

二、應(yīng)用場景

  • 運行時修改內(nèi)存中的數(shù)據(jù)
    • 動態(tài)的在內(nèi)存中創(chuàng)建一個類
    • 給類增加一個屬性
    • 給類增加一個協(xié)議實現(xiàn)
    • 給類增加一個方法實現(xiàn)IMP
    • 遍歷一個類的所有成員變量、屬性和方法等
  • 具體應(yīng)用
    • 攔截系統(tǒng)自帶的方法調(diào)用（Method Swizzling黑魔法）
    • 將某些OC代碼轉(zhuǎn)化為Runtime代碼，探究底層。如block的實現(xiàn)原理
    • 實現(xiàn)給分類增加屬性
    • 實現(xiàn)NSCoding的自動歸檔和接檔
    • 實現(xiàn)字典的模型和自動轉(zhuǎn)換
    • JSPatch替換已有的OC方法實行等

三、原理詳解

1.基本元素認(rèn)知

(1) class和id

class是一個指向objc_class結(jié)構(gòu)體的指針，而id是一個指向objc_object結(jié)構(gòu)體的指針，其中的isa是一個指向objc_class結(jié)構(gòu)體的指針。其中的id就是我們所說的對象，class就是所說的類。
類和對象的區(qū)別就是類比對象多了很多特征成員，類也可以當(dāng)做一個objc_object來對待，也就是說類和對象都是對象，分別稱為類對象（class object）和實例對象（instance object），這樣我們就可以區(qū)別對象和類了。
objc_object（實例對象）中的isa指針指向的類結(jié)構(gòu)稱為class，其中存放著普通成員變量和動態(tài)方法；objc_class中的isa指針指向類結(jié)構(gòu)的metaclass，其中存放著static類型的成員變量和static類型的方法。

(2) SEL

SEL是selector在OC中的變現(xiàn)類型。selector可以理解為區(qū)別方法的ID。

typedef struct objc_selector *SEL;

objc_selector的定義如下

struct objc_selector {
  char *name; OBJC2_UNAVAILABLE;// 名稱 
  char types; OBJC2_UNAVAILABLE;// 類型
};

每個方法都有一個與之對應(yīng)的SEL類型的數(shù)據(jù)，根據(jù)一個SEL數(shù)據(jù)“@selector”就可以找到對應(yīng)的方法地址，進(jìn)而調(diào)用方法。

(3) IMP

IMP是implementation的縮寫，它是由編譯器生成的一個函數(shù)指針。當(dāng)你發(fā)起一個消息后，這個函數(shù)指針確定了最終執(zhí)行那段代碼。

(4) Method

Method代表類中的某個方法類型

struct objc_method {    
  SEL method_name                   OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法名    
  char *method_types                OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法類型    
  IMP method_imp                    OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法實現(xiàn)
}

(5) Ivar

Ivar代表類中實例變量的類型

typedef struct objc_ivar *Ivar

objc_ivar的定義如下

struct objc_ivar { 
  char *ivar_name OBJC2_UNAVAILABLE; // 變量名
  char *ivar_type OBJC2_UNAVAILABLE; // 變量類型 
  int ivar_offset OBJC2_UNAVAILABLE; // ?基地址偏移字節(jié)
#ifdef __LP64__ 
  int space OBJC2_UNAVAILABLE; // 占用空間
#endif
}

(6) objc_property_t

objc_property_t是屬性，它的定義如下：

typedef struct objc_property *objc_property_t;

(7) Category

這個就是分類，可以動態(tài)的為已存在的類添加新的方法。

2. OC的消息傳遞

在面向?qū)ο缶幊讨校瑢ο笳{(diào)用方法叫做發(fā)送消息。在編程中，程序源代碼就會從對象發(fā)送消息轉(zhuǎn)化成Runtime的objc_msgSend函數(shù)調(diào)用。
例如我們寫的

[target doMethodWith:var];

會被編譯器翻譯成

objc_msgSend(target,@selector(doMethodWith:),var);

基本消息傳遞

objc_msgSend函數(shù)調(diào)用過程為：

  • 第一步：檢測這個selector是不是要忽略的；
  • 第二步：檢測這個target是不是nil對象。nil對象發(fā)送任何一個消息都會被忽略掉；
  • 第三步：
  • 調(diào)用實例方法時，它會首先在自身isa指針指向的類（class）methodLists中查找該方法，如果找不到則會通過class的super_class指針找到父類的類對象結(jié)構(gòu)體，然后從methodLists中查找該方法，如果仍找不到則繼續(xù)通過super_class向上查找知道m(xù)etaclass；
  • 調(diào)用類方法時，首先通過自己的isa指針找到metaclass，并從其中methodLists中查找該類方法，如果找不到則會通過metaclass的super_class指針找到父類的metaclass對象結(jié)構(gòu)體；
  • 第四步：如果前三步都找不到方法則進(jìn)入動態(tài)方法解析。

消息動態(tài)解析

動態(tài)解析流程圖（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

消息動態(tài)解析具體流程

  • 第一步：通過resolveInstanceMethod：方法決定是否動態(tài)添加方法。如果返回Yes則通過class_addMethod動態(tài)添加方法，消息得到處理，結(jié)束；如果返回No，則進(jìn)入下一步；
  • 第二步：這步會進(jìn)入forwardingTargetForSelector:方法，用于指定備選對象響應(yīng)這個selector，不能指定為self。如果返回某個對象則會調(diào)用對象的方法，結(jié)束。如果返回nil，則進(jìn)入第三步；
  • 第三步：這步我們要通過methodSignatureForSelector:方法簽名，如果返回nil，則消息無法處理。如果返回methodSignature，則進(jìn)入下一步；
  • 第四步：這步調(diào)用forwardInvocation：方法，我們可以通過anInvocation對象做很多處理，比如修改實現(xiàn)方法，修改響應(yīng)對象等，如果方法調(diào)用成功，則結(jié)束。如果失敗，則進(jìn)入doesNotRecognizeSelector方法，若我們沒有實現(xiàn)這個方法，那么就會crash。

四、具體實現(xiàn)

首先，在需要調(diào)用Runtime相關(guān)方法和參數(shù)的地方添加頭文件<objc/runtime.h>

遍歷一個類的所有成員變量、屬性和方法

創(chuàng)建一個繼承于NSObject的Person類，其中包含一個供外類使用的屬性name和一個實例變量age。

// 遍歷Person類中所有的變量
-(void) getALLVariable{ 
    
    unsigned int count = 0;
    Ivar *allVariables = class_copyIvarList([Person class], &count);
    
    for (int i = 0 ; i< count; i++) {
            //遍歷每一個變量,包括名稱和類型
        Ivar ivar = allVariables[i];
        const char *VariableName = ivar_getName(ivar);
        const char *VariableType = ivar_getTypeEncoding(ivar);
        NSLog(@"(Name:%s)-------(Type:%s)",VariableName,VariableType);
        }
}

通過Runtime我們可以獲取到一個類的成員變量列表和屬性方法等，即使是私有屬性和私有方法。這就是Runtime強(qiáng)大的體現(xiàn)之一。若是想遍歷屬性列表可以將class_copyIvarList替換為class_copyPropertyList。
給Person類添加一個公共方法-(void) method1和一個私有方法-(void) method2，使用Runtime遍歷Person的所有方法

//遍歷Person類的方法
-(void) getAllMethod{
    unsigned int count = 0;
    Method *AllMethods = class_copyMethodList([Person class], &count);
    
    for (int i = 0 ; i<count; i++) {
        
        Method method = AllMethods[i];
        //獲取SEL：SEL類型,即獲取方法選擇器@selector()
        SEL sel = method_getName(method);
        //得到sel的方法名：以字符串格式獲取sel的name，也即@selector()中的方法名稱
        const char *methodName = sel_getName(sel);
        NSLog(@"-------the method :%s",methodName);

    }
}

控制臺輸出了包括set和get等方法名稱。【備注：.cxx_destruct方法是關(guān)于系統(tǒng)自動內(nèi)存釋放工作的一個隱藏的函數(shù)，當(dāng)ARC下，且本類擁有實例變量時，才會出現(xiàn)；】
在OC中，selector、Method、implementation是Runtime中一個特殊點，在一般情況下、這些術(shù)語更多的使用在消息發(fā)送的過程描述中。
理解這幾個術(shù)語之間關(guān)系的最好方式是：一個類維護(hù)一個Runtime可接受的消息分發(fā)表；分發(fā)表中的每個入口是一個Method，其中Key是一個特定名稱，即SEL，其對應(yīng)一個實現(xiàn)（IMP），即指向底層C函數(shù)的指針。

動態(tài)改變一個類變量的數(shù)值

//改變Person變量的數(shù)值
-(void) changeVariable{
    NSLog(@"before change person : %@ -------",_person);
    
    unsigned int count = 0;
    Ivar *allList = class_copyIvarList([Person class], &count);
    for (int i = 0; i< count; i++) {
        Ivar var = allList[i];
        const char *varName = ivar_getName(var);
        NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:varName];
        
        if ([name isEqualToString:@"_name"]) {
            object_setIvar(_person, var, @"lannis");
        }
    }
    
    NSLog(@"after change person : %@ -------",_person);
}

動態(tài)添加方法

-(void) addMethod{
    class_addMethod([self class], @selector(addfunc3), (IMP)func3, "v@:");
    
    if ([self respondsToSelector:@selector(addfunc3)]) {
        [self performSelector:@selector(addfunc3)];
    }else{
        NSLog(@"add method error");
    }
}

void func3(id self,SEL _cmd){
    NSLog(@"%s",__func__);
}

調(diào)用class_addMethod(__unsafe_unretained Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)方法給指定類添加方法。
imp參數(shù)：實現(xiàn)被添加方法的函數(shù)，在本例中func3是指func3的地址指針；
types參數(shù)：一個定義該函數(shù)返回值類型和參數(shù)類型的字符串。本例中"v@:"意思是v代表無返回值void，@代表id sel；：代表SEL _cmd；
要注意的是：func3方法前的void不加+、-號，因為這是C的代碼；必須有指定兩個參數(shù)（id self，SEL _cmd）；

動態(tài)交換方法

將存在的兩個方法的實現(xiàn)進(jìn)行交換

-(void) exchangeImplementations{
    Method m1 = class_getInstanceMethod([Person class], @selector(func1));
    Method m2 = class_getInstanceMethod([Person class], @selector(func2));
    
    method_exchangeImplementations(m1, m2);
}

本文參考文獻(xiàn)

Objective-C Runtime Reference
Objective-C Runtime 1小時入門教程
Objective-C Runtime 運行時之四：Method Swizzling
Runtime Part1 認(rèn)識
Runtime的幾個小例子

最后編輯于 ：
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