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OC 底层探索 - Category 和 Extension

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大纲

1. Category 分类

1.1 Category 的使用场合

  • ① 给一个类添加新的方法,可以为系统的类扩展功能。
  • ② 分解体积庞大的类文件,可以将一个类按功能拆解成多个模块,方便代码管理。
  • ③ 创建对私有方法的前向引用:声明私有方法,把 Framework 的私有方法公开等。直接调用其他类的私有方法时编译器会报错的,这时候可以创建一个该类的分类,在分类中声明这些私有方法(不必提供方法实现),接着导入这个分类的头文件就可以正常调用这些私有方法。
  • ④ 向对象添加非正式协议:创建一个 NSObject 或其子类的分类称为 “创建一个非正式协议”。

(正式协议是通过 protocol 指定的一系列方法的声明,然后由遵守该协议的类自己去实现这些方法。而非正式协议是通过给 NSObject 或其子类添加一个分类来实现。非正式协议已经渐渐被正式协议取代,正式协议最大的优点就是可以使用泛型约束,而非正式协议不可以。)

1.2 Category 中都可以添加哪些内容?

  • 实例方法、类方法、协议、属性(只生成 setter 和 getter 方法的声明,不会生成 setter 和 getter 方法的实现以及下划线成员变量);
  • 默认情况下,因为分类底层结构的限制,不能添加成员变量到分类中,但可以通过关联对象来间接实现这种效果。

1.3 Category 的优缺点、特点、注意点

Category描述
优点① 见 Category 的使用场合;
② 可以按需加载不同的分类。
缺点① 不能直接添加成员变量,但可以通过关联对象实现这种效果;
② 分类方法会“覆盖”同名的宿主类方法,如果使用不当会造成问题。
特点① 运行时决议
② 可以有声明,可以有实现
③ 可以为系统的类添加分类
运行时决议:Category 编译之后的底层结构是struct category_t,里面存储着分类的对象方法、类方法、属性、协议信息,这时候分类中的数据还没有合并到类中,而是在程序运行的时候通过Runtime机制将所有分类数据合并到类(类对象、元类对象)中去。(这是分类最大的特点,也是分类和扩展的最大区别,扩展是在编译的时候就将所有数据都合并到类中去了)
注意点① 分类方法会“覆盖”同名的宿主类方法,如果使用不当会造成问题;
② 同名分类方法谁能生效取决于编译顺序,最后参与编译的分类中的同名方法会最终生效;
③ 名字相同的分类会引起编译报错。

1.4 Category 的实现原理

  • ① 分类的实现原理取决于运行时决议;
  • ② 同名分类方法谁能生效取决于编译顺序,最后参与编译的分类中的同名方法会最终生效;
  • ③ 分类方法会“覆盖”同名的宿主类(原类)方法,这里说的“覆盖”并不是指原来的方法没了。消息传递过程中优先查找宿主类中靠前的元素,找到同名方法就进行调用,但实际上宿主类中原有同名方法的实现仍然是存在的。我们可以通过一些手段来调用到宿主类原有同名方法的实现,如可以通过Runtimeclass_copyMethodList方法打印类的方法列表,找到宿主类方法的imp,进行调用(可以交换方法实现)。

1.4.1 编译

源码分析

通过 Clang 将以下分类代码转换为 C++ 代码,来分析分类的底层实现。

// Clang
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc Person+Test.m
复制代码
#import "Person.h"
@interface Person (Test)<NSCopying>
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, assign) int age;
- (void)eat;
- (void)sleep;
+ (void)run;
+ (void)walk;
@end

#import "Person+Test.h"
@implementation Person (Test)
- (void)eat {
    NSLog(@"eat");
}
- (void)sleep {
    NSLog(@"sleep");
}
+ (void)run {
    NSLog(@"run");
}
+ (void)walk {
    NSLog(@"walk");
}
@end
复制代码
// Person+Test.cpp
struct _category_t {
	const char *name;
	struct _class_t *cls;
	const struct _method_list_t *instance_methods;
	const struct _method_list_t *class_methods;
	const struct _protocol_list_t *protocols;
	const struct _prop_list_t *properties;
};

// 实例方法列表
static struct /*_method_list_t*/ {
	unsigned int entsize;  // sizeof(struct _objc_method)
	unsigned int method_count;
	struct _objc_method method_list[2];
} _OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_Person_$_Test __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
	sizeof(_objc_method),
	2,
	{{(struct objc_selector *)"eat", "v16@0:8", (void *)_I_Person_Test_eat},
	{(struct objc_selector *)"sleep", "v16@0:8", (void *)_I_Person_Test_sleep}}
};

// 类方法列表
static struct /*_method_list_t*/ {
	unsigned int entsize;  // sizeof(struct _objc_method)
	unsigned int method_count;
	struct _objc_method method_list[2];
} _OBJC_$_CATEGORY_CLASS_METHODS_Person_$_Test __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
	sizeof(_objc_method),
	2,
	{{(struct objc_selector *)"run", "v16@0:8", (void *)_C_Person_Test_run},
	{(struct objc_selector *)"walk", "v16@0:8", (void *)_C_Person_Test_walk}}
};

// 协议列表
static struct /*_protocol_list_t*/ {
	long protocol_count;  // Note, this is 32/64 bit
	struct _protocol_t *super_protocols[1];
} _OBJC_CATEGORY_PROTOCOLS_$_Person_$_Test __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
	1,
	&_OBJC_PROTOCOL_NSCopying
};

// 属性列表
static struct /*_prop_list_t*/ {
	unsigned int entsize;  // sizeof(struct _prop_t)
	unsigned int count_of_properties;
	struct _prop_t prop_list[2];
} _OBJC_$_PROP_LIST_Person_$_Test __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
	sizeof(_prop_t),
	2,
	{{"name","T@\"NSString\",C,N"},
	{"age","Ti,N"}}
};

// Person+Test 分类编译的底层结构
static struct _category_t _OBJC_$_CATEGORY_Person_$_Test __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = 
{
	"Person",
	0, // &OBJC_CLASS_$_Person,
	(const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_Person_$_Test,
	(const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_CLASS_METHODS_Person_$_Test,
	(const struct _protocol_list_t *)&_OBJC_CATEGORY_PROTOCOLS_$_Person_$_Test,
	(const struct _prop_list_t *)&_OBJC_$_PROP_LIST_Person_$_Test,
};
复制代码

从以上可以看到,Category 编译之后的底层结构时struct category_t

objc4 源码链接:https://opensource.apple.com/tarballs/objc4/

下面我们进入Runtime的最新源代码objc4-756.2进行分析。在源代码中与 Category 相关的代码基本都放在objc-runtime-new.hobjc-runtime-new.mm两个文件中。我们先来看一下 Category 在源代码中的定义struct category_t

从以上 Category 的底层结构来看,分类中可以添加实例方法、类方法、协议、属性,但是不能添加成员变量,因为没有存储成员变量对应的指针变量。

1.4.2 加载处理过程

在编译时,Category 中的数据还没有合并到类中,而是在程序运行的时候通过Runtime机制将所有分类数据合并到类(类对象、元类对象)中去。下面我们来看一下 Category 的加载处理过程。

  • ① 通过Runtime加载某个类的所有 Category 数据;
  • ② 把所有的分类数据(方法、属性、协议),合并到一个大数组中;
    (后面参与编译的 Category 数据,会在数组的前面)
  • ③ 将合并后的分类数据(方法、属性、协议),插入到宿主类原来数据的前面。
    (所以会优先调用最后参与编译的分类中的同名方法)
源码分析

加载函数调用栈:

  • objc-os.mm
    ① _objc_init:Runtime的入口函数,进行一些初始化操作
    ② map_images:加锁
    ③ map_images_nolock:程序或内存镜像的处理
  • objc-runtime-new.mm
    ④ _read_images:读取镜像,完成类、分类、协议的加载等
    remethodizeClass(核心函数):分类的加载都在这个函数里开始
    ⑥ attachCategories:将分类中的所有信息(方法、属性、协议列表)都合并到对应的二维数组中
    ⑦ attachLists:将这些信息合并到宿主类中去
    ⑧ realloc、memmove、memcpy

下面我们通过⑤⑥⑦三个函数来分析分类中实例方法的添加逻辑:

remethodizeClass

attachCategories

attachLists

2. Extension 扩展

2.1 Extension 是什么?

  • ① Extension 有一种说法叫“匿名分类”,因为它很像分类,但没有分类名。严格来说要叫类扩展。
  • ② Extension 的作用是将原来放在 .h 中的数据放到 .m 中去,私有化,变成私有的声明。
  • ③ Extension 是在编译的时候就将所有数据都合并到类中去了(编译时决议),而 Category 是在程序运行的时候通过Runtime机制将所有数据合并到类中去(运行时决议)。

2.2 Extension 一般用来做什么?

  • ① 声明私有属性
  • ② 声明私有方法
  • ③ 声明私有成员变量

2.3 Extension 的特点以及 Extension 与 Category 的区别

  • ① 编译时决议(在编译的时候就将扩展的所有数据都合并到类中去了)
  • ② 只以声明的形式存在,多数情况下寄生于宿主类的.m中
  • ③ 不能为系统类添加扩展
CategoryExtension
运行时决议编译时决议
可以有声明,可以有实现只以声明的形式存在,多数情况下寄生于宿主类的.m中
可以为系统的类添加分类不能为系统类添加扩展

3. 相关面试题

Q:Category 能否添加成员变量?如果可以,如何给 Category 添加成员变量?

因为分类底层结构的限制,不能直接给 Category 添加成员变量,但是可以通过关联对象间接实现 Category 有成员变量的效果。
传送门:OC - Association 关联对象

Q:为什么分类中属性不会自动生成 setter、getter 方法的实现,不会生成成员变量,也不能添加成员变量?

因为类的内存布局在编译的时候会确定,但是分类是在运行时才加载,在运行时Runtime会将分类的数据,合并到宿主类中。

Q:为什么将以前的方法列表挪动到新的位置用 memmove 呢?

为了保证挪动数据的完整性。而将分类的方法列表合并进来,不用考虑被覆盖的问题,所以用 memcpy 就好。

Q:为什么优先调用最后编译的分类的方法?

attachCategories()方法中,从所有未完成整合的分类取出分类的过程是倒序遍历,最先访问最后编译的分类。然后获取该分类中的方法等列表,添加到二维数组中,所以最后编译的分类中的数据最先加到分类二维数组中,最后插入到宿主类的方法列表前面。而消息传递过程中优先查找宿主类中靠前的元素,找到同名方法就进行调用,所以优先调用最后编译的分类的方法。

Q:objc_class 结构体中的 baseMethodList 和 methods 方法列表的区别?

回答此道问题需要先了解Runtime的数据结构objc_class
传送门:深入浅出 Runtime(二):数据结构

  • baseMethodList基础的方法列表,是ro只读的,不可修改,可以看成是合并分类方法列表前的methods的拷贝;
  • methodsrw可读写的,将来运行时要合并分类方法列表。

Q:Category 中有 +load 方法吗?+load 方法是什么时候调用的?+load 方法能继承吗?

  1. 分类中有+load方法;
  2. +load方法在Runtime加载类、分类的时候调用;
  3. +load方法可以继承,但是一般情况下不会手动去调用+load方法,都是让系统自动调用。

传送门:OC - load 和 initialize

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