Objective-C Runtime:类的基础数据结构

soleRoy
952 阅读8分钟

Runtime简介

Objective-C是基于C语言加入了面向对象特性和消息转发机制的动态语言，这意味着它不仅需要一个编译器，还需要Runtime系统来动态创建类和对象，进行消息发送和转发。 Runtime库主要做下面几件事：

1、封装：在这个库中，对象可以用C语言中的结构体表示，而方法可以用C函数来实现，另外再加上一些额外的特性。这些结构体和函数被runtime函数封装后，我们就可以在程序运行时创建，检查，修改类、对象和它们的方法了。
2、找出方法的最终执行代码：当程序执行[object doSomething]时，会向消息接收者object发送一条消息doSomething，runtime会根据消息接收者是否能响应该消息而做出不同的反应。

可以在这里下载Apple维护的开源代码。

方法调用的本质

Objective-C中形如[receiver message]的方法调用，并不是直接调用receiver的message方法，而是向receiver发送一条message消息，该方法调用代码会被编译成：

id objc_msgSend(id self, SEL selector, ...);

id

id是函数objc_msgSend第一个参数的数据类型，id是通用类型指针，可以表示任何对象，在<objc.h>中有其定义：

typedef struct objc_object *id;

struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

id其实就是一个指向objc_object结构体的指针，它包含一个Class成员，根据isa就能找到对象所属的类。

SEL

SEL是函数objc_msgSend第二个参数的数据类型，又叫方法选择器，是表示一个方法的selector的指针，在<objc.h>中有其定义：

typedef struct objc_selector *SEL;

关于objc_selector在源码中并没有找到其定义，其实它就是映射到方法的C字符串，你可以通过Objc编译器命令@selector()或Runtime系统的sel_registerName函数来获取一个SEL类型的方法选择器。

如果你知道selector对应的方法名是什么，你可以通过NSString *NSStringFromSelector(SEL aSelector);方法将SEL转化成字符串，再用NSLog打印。

IMP

IMP实际上是一个函数指针，指向方法实现的首地址。在<objc.h>有其定义：

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

第一个参数指向self的指针(如果是实例方法，则是类实例的内存地址，如果是类方法，则是元类的内存地址)，第二参数是方法选择器，接下来是方法的实际参数列表。 前面介绍的SEL就是为了查找方法的最终实现IMP的。每个方法对应唯一的SEL，我们可以通过SEL方便快速准确地获取它的IMP。

Class的数据结构

结构体objc_object的isa指针的数据类型是Class，表示其所属的类，在<objc.h>中有其定义：

typedef struct objc_class *Class;

可以看到Class其实就是指向objc_class的结构体指针，在<runtime.h>中有其定义：

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class super_class;// 指向其父类
    const char *name;// 类名
    long version;// 类的版本信息，初始化默认为0
    long info;// 一些标识信息，如CLS_CLASS (0x1L)表示该类为普通类，包含对象方法和成员变量；CLS_META (0x2L)表示该类为元类，包含类方法
    long instance_size;// 该类的实例变量大小(包括从父类继承下来的实例变量)
    struct objc_ivar_list *ivars;// 用于存储每个成员变量的地址
    struct objc_method_list **methodLists;// 方法列表，与info的标识位有关，如果是CLS_CLASS (0x1L)则存储对象方法；如果是CLS_META (0x2L)则存储类方法
    struct objc_cache *cache;// 指向最近使用的方法的指针，用于提升效率
    struct objc_protocol_list *protocols;// 用于存储该类遵守的协议
#endif
}

下面对类结构的各个成员进行介绍，包括与之相关的操作函数：

isa

isa表示Class对象的Class，也就是Meta Class。在面向对象的设计中，一切都是对象，Class在设计中也是一个对象。当我们向一个对象发消息时，runtime会在这个对象所属的类的方法列表中进行查找，而向一个类发送消息时，会在这个类的Meta Class的方法列表中进行查找。Meta Class也是Class，它也跟其它Class一样有自己的isa和super_class指针，关系如下：

上图的实线是super_class指针，虚线是isa指针，有几个关键点的解释如下：

1、Root class(class)其实就是NSObject，NSObject没有超类，所以Root class(class)的superclass指向nil；
2、每个Class都有一个isa指针指向唯一的Meta Class；
3、Root class(meta)的superclass指向Root class(class)，也就是NSObject，形成一个回路；
4、每个Meta Class的isa指针都指向Root class(meta)。

/* 判断一个类是否是元类 */
BOOL class_isMetaClass(Class cls);

/* 获取指定类的元类 */
Class objc_getMetaClass(const char *name);

super_class

类的父类，如果该类已经是根类，则为NULL。

/* 获取指定类的父类,通常我们直接调用NSObject对象的superclass方法代替该函数 */
Class class_getSuperclass(Class cls);

name

类名。

/* 返回类的名称 */
const char *class_getName(Class cls);

version

类的版本信息，默认为0。

/* 返回类的版本信息 */
int class_getVersion(Class cls);

info

供运行期使用的一些标识。如CLS_CLASS (0x1L)表示该类为普通类；CLS_META (0x2L)表示该类为元类。

instance_size

该类的实例变量大小，包括从父类继承下来的实例变量。

/* 返回该类的实例变量大小 */
size_t class_getInstanceSize(Class cls);

ivars

表示成员变量，它指向objc_ivar_list结构体，在<runtime.h>中有其定义：

struct objc_ivar_list {
    int ivar_count;
#ifdef __LP64__
    int space;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_ivar ivar_list[1];
}

objc_ivar_list其实就是一个链表，存储多个objc_ivar，objc_ivar结构体存储类的单个成员变量信息，在<runtime.h>中定义如下：

struct objc_ivar {
    char *ivar_name;// 变量名
    char *ivar_type;// 变量类型
    int ivar_offset;
#ifdef __LP64__
    int space;
#endif
}

另外，在<runtime.h>中还定义了Ivar，它是指向objc_ivar的结构体指针：

typedef struct objc_ivar *Ivar;

/* 获取整个成员变量列表。
   返回结果是一个Ivar类型的指向类的成员变量的指针数组，不包括父类的成员变量，使用完毕之后必须手动调用free()来释放数组。
*/
Ivar *class_copyIvarList(Class cls, unsigned int *outCount);

/* 获取指定名称的成员变量 */
Ivar class_getInstanceVariable(Class cls, const char *name);

/* 给指定的类添加成员变量。
   1.该函数只能在objc_allocateClassPair和objc_registerClassPair函数之间调用，且不允许往一个已经存在的类中添加实例变量。
   2.这个类不能是元类。
*/
BOOL class_addIvar(Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types);

methodLists

表示方法列表，它是指向objc_method_list结构体的二级指针，可以动态的修改*objc_method_list的值来添加方法，也是Category的实现原理。在<runtime.h>中查看objc_method_list结构体的定义如下：

struct objc_method_list {
    struct objc_method_list *obsolete;
    int method_count;
#ifdef __LP64__
    int space;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_method method_list[1];
}

同样，objc_method_list也是一个链表，存储多个objc_method，而objc_method结构体存储类的某个方法的信息。在<runtime.h>中有其定义：

struct objc_method {
    SEL method_name;// 方法名
    char *method_types;
    IMP method_imp;// 方法的实现
}

另外，<runtime.h>中还定义了Method，它是指向结构体objc_method的结构体指针，定义如下：

typedef struct objc_method *Method;

关于方法的主要操作函数：

/* 给类添加方法。
   1.class_addMethod会覆盖父类方法的实现，但不会取代本类中已存在的实现，如果本类中含有一个同名实现，则函数返回NO；
   2.如果要修改已存在的实现，可以使用method_setImplementation。
*/
BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types);

/* 获取实例方法
   该函数会搜索父类的实现，而class_copyMethodList不会。  
*/
Method class_getInstanceMethod(Class cls, SEL name);

/* 获取类方法 
   该函数会搜索父类的实现，而class_copyMethodList不会。  
*/
Method class_getClassMethod(Class cls, SEL name);

/* 获取方法列表
   1.该函数不会搜索父类的实现;
   2.函数调用结束后要手动调用free();
*/
Method *class_copyMethodList(Class cls, unsigned int *outCount);

/* 替代指定方法的实现
   该函数有两种行为：
   1.如果指定name的方法不存在，则类似于函数class_addMethod一样添加方法；
   2.如果指定name的方法存在，则类似于函数method_setImplementation，替代原先方法的实现。
*/
IMP class_replaceMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types);

/* 获取方法的具体实现，该函数在向类实例发送消息时会被调用，返回一个指向方法实现的函数指针
   1.比函数method_getImplementation(class_getInstanceMethod(cls, name))更快；
   2.返回的函数指针可能是一个指向runtime的内部函数，而不一定是方法的实际实现。比如，如果类实例无法响应selector，则返回的函数指针将是运行时消息转发的一部分。
*/
IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL name);

/* 类实例是否响应指定的方法 
   通常我们应该使用NSObject对象的respondsToSelector:或者instancesRespondToSelector:来达到相同的目的。
*/
BOOL class_respondsToSelector(Class cls, SEL sel);

cache

用于缓存最近使用的方法。cache是指向objc_cache结构体的指针，在<runtime.h>中有如下定义：

typedef struct objc_cache *Cache;

struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */;
    unsigned int occupied;
    Method buckets[1];
};

Cache其实是一个存储Method的链表，主要是为了优化方法调用的性能。当对象recevier调用方法message时，首先根据receiver的isa指针查找它对应的类，然后在类的methodLists中查找方法，如果没找到，就会用super_class指针到父类的methodLists中查找，一旦找到就调用。如果没找到，有可能消息转发，也可能忽略它。但这样的查找方式效率太低，因为一个类只有少部分的方法会被经常调用，一些方法很少调用甚至不会被调用，所以使用Cache来缓存调用方法，当调用方法时，优先在Cache中查找，如果没找到再到methodLists中查找。

protocols

类遵循的协议，它是指向objc_protocol_list结构体的指针，在<runtime.h>查看其定义：

struct objc_protocol_list {
    struct objc_protocol_list *next;
    long count;
    Protocol *list[1];
};

/* 返回类实现的协议列表 */
Protocol * __unsafe_unretained *class_copyProtocolList(Class cls, unsigned int *outCount);

/* 类是否实现指定的协议
   通常使用NSObject对象的conformsToProtocol:来实现相同的目的。
*/
BOOL class_conformsToProtocol(Class cls, Protocol *protocol);

参考

avatar
文章
阅读
粉丝