Objective-C是一门动态性比较强的编程语言，跟C、C++等语言有着很大的不同

Objective-C的动态性是由Runtime API来支撑的

Runtime API提供的接口基本都是C语言的，源码由C\C++\汇编语言编写

要想学习Runtime，首先要了解它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

位域详解

• 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
  是否有被弱引用指向过，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

注意： 

has_assoc是否是设置过关联对象，而不是此时是否有关联对象。如果设置过，即使取消了，那么也算设置过。weakly_referenced 同理。

class结构

class_rw_t

class_ro_t

类的初始信息，不包含分类信息。

最开始是没有rw的，运行的时候才创建rw，把ro的内容和分类的信息放在rw里。 源码(汉子注释部分)：

static Class realizeClassWithoutSwift(Class cls)
{
    runtimeLock.assertLocked();

    const class_ro_t *ro;
    class_rw_t *rw;
    Class supercls;
    Class metacls;
    bool isMeta;

    if (!cls) return nil;
    if (cls->isRealized()) return cls;
    assert(cls == remapClass(cls));

    // fixme verify class is not in an un-dlopened part of the shared cache?

    ro = (const class_ro_t *)cls->data();
    if (ro->flags & RO_FUTURE) {
        // This was a future class. rw data is already allocated.
        // rw已经分配
        rw = cls->data();
        ro = cls->data()->ro;
        cls->changeInfo(RW_REALIZED|RW_REALIZING, RW_FUTURE);
    } else {
        // Normal class. Allocate writeable class data.
        // 分配rw 并进行初始赋值
        rw = (class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1);
        rw->ro = ro;
        rw->flags = RW_REALIZED|RW_REALIZING;
        cls->setData(rw);
    }

    isMeta = ro->flags & RO_META;

    rw->version = isMeta ? 7 : 0;  // old runtime went up to 6


    // Choose an index for this class.
    // Sets cls->instancesRequireRawIsa if indexes no more indexes are available
    cls->chooseClassArrayIndex();

    if (PrintConnecting) {
        _objc_inform("CLASS: realizing class '%s'%s %p %p #%u %s%s",
                     cls->nameForLogging(), isMeta ? " (meta)" : "", 
                     (void*)cls, ro, cls->classArrayIndex(),
                     cls->isSwiftStable() ? "(swift)" : "",
                     cls->isSwiftLegacy() ? "(pre-stable swift)" : "");
    }

    // Realize superclass and metaclass, if they aren't already.
    // This needs to be done after RW_REALIZED is set above, for root classes.
    // This needs to be done after class index is chosen, for root metaclasses.
    // This assumes that none of those classes have Swift contents,
    //   or that Swift's initializers have already been called.
    //   fixme that assumption will be wrong if we add support
    //   for ObjC subclasses of Swift classes.
    supercls = realizeClassWithoutSwift(remapClass(cls->superclass));
    metacls = realizeClassWithoutSwift(remapClass(cls->ISA()));

#if SUPPORT_NONPOINTER_ISA
    // Disable non-pointer isa for some classes and/or platforms.
    // Set instancesRequireRawIsa.
    bool instancesRequireRawIsa = cls->instancesRequireRawIsa();
    bool rawIsaIsInherited = false;
    static bool hackedDispatch = false;

    if (DisableNonpointerIsa) {
        // Non-pointer isa disabled by environment or app SDK version
        instancesRequireRawIsa = true;
    }
    else if (!hackedDispatch  &&  !(ro->flags & RO_META)  &&  
             0 == strcmp(ro->name, "OS_object")) 
    {
        // hack for libdispatch et al - isa also acts as vtable pointer
        hackedDispatch = true;
        instancesRequireRawIsa = true;
    }
    else if (supercls  &&  supercls->superclass  &&  
             supercls->instancesRequireRawIsa()) 
    {
        // This is also propagated by addSubclass() 
        // but nonpointer isa setup needs it earlier.
        // Special case: instancesRequireRawIsa does not propagate 
        // from root class to root metaclass
        instancesRequireRawIsa = true;
        rawIsaIsInherited = true;
    }
    
    if (instancesRequireRawIsa) {
        cls->setInstancesRequireRawIsa(rawIsaIsInherited);
    }
// SUPPORT_NONPOINTER_ISA
#endif

    // Update superclass and metaclass in case of remapping
    cls->superclass = supercls;
    cls->initClassIsa(metacls);

    // Reconcile instance variable offsets / layout.
    // This may reallocate class_ro_t, updating our ro variable.
    if (supercls  &&  !isMeta) reconcileInstanceVariables(cls, supercls, ro);

    // Set fastInstanceSize if it wasn't set already.
    cls->setInstanceSize(ro->instanceSize);

    // Copy some flags from ro to rw
    if (ro->flags & RO_HAS_CXX_STRUCTORS) {
        cls->setHasCxxDtor();
        if (! (ro->flags & RO_HAS_CXX_DTOR_ONLY)) {
            cls->setHasCxxCtor();
        }
    }
    
    // Propagate the associated objects forbidden flag from ro or from
    // the superclass.
    if ((ro->flags & RO_FORBIDS_ASSOCIATED_OBJECTS) ||
        (supercls && supercls->forbidsAssociatedObjects()))
    {
        rw->flags |= RW_FORBIDS_ASSOCIATED_OBJECTS;
    }

    // Connect this class to its superclass's subclass lists
    if (supercls) {
        addSubclass(supercls, cls);
    } else {
        addRootClass(cls);
    }

    // Attach categories
    methodizeClass(cls);

    return cls;
}

method_t

其他：C语言的字符串，用%s.

注意：不同类中相同名字的方法，所对应的方法选择器是相同的。

types

// "i24@0:8i16f20"
// 0id 8SEL 16int 20float  == 24
- (int)test:(int)age height:(float)height;

最前面代表返回值，@是隐式参数self,:是隐式参数 _cmd

i24 @0 :8 i16 f20意思是，这个函数，返回值是int类型，参数总共24字节。self参数从0开始，_cmd参数从8开始，从16开始的参数是int类型，从20开始的参数是float类型。

cache_t

因为class_rw_t的 method_array_t是二维数组，如果通过isa,superClass，每次都要通过遍历查看方法，效率太低。所以做了缓存。

每当调用方法的时候，会先去cache中查找是否有缓存的方法，如果没有缓存，在去类对象方法缓存中找，再去列表中查找，以此类推直到找到方法之后，就会将方法直接存储在cache中，下一次在调用这个方法的时候，就会在类对象的cache里面找到这个方法，直接调用了。

缓存是通过 散列表(哈希)实现的。

从源码中可以看出bucket_t中存储着SEL和_imp，通过key->value的形式，以SEL为key，函数实现的内存地址 _imp为value来存储方法。

通过一张图来展示一下cache_t的结构。

上述bucket_t列表我们称之为散列表（哈希表） 散列表（Hash table，也叫哈希表），是根据关键码值(Key value)而直接进行访问的数据结构。也就是说，它通过把关键码值映射到表中一个位置来访问记录，以加快查找的速度。这个映射函数叫做散列函数，存放记录的数组叫做散列表。

那么apple如何在散列表中快速并且准确的找到对应的key以及函数实现呢？这就需要我们通过源码来看一下apple的散列函数是如何设计的。

散列函数及散列表原理

首先来看一下存储的源码，主要查看几个函数，关键代码都有注释，不在赘述。

源码位于 objc-cache.mm 中：

cache_fill 及 cache_fill_nolock 函数

void cache_fill(Class cls, SEL sel, IMP imp, id receiver)
{
#if !DEBUG_TASK_THREADS
    mutex_locker_t lock(cacheUpdateLock);
    cache_fill_nolock(cls, sel, imp, receiver);
#else
    _collecting_in_critical();
    return;
#endif
}
 
static void cache_fill_nolock(Class cls, SEL sel, IMP imp, id receiver)
{
    cacheUpdateLock.assertLocked();
    // 如果没有initialize直接return
    if (!cls->isInitialized()) return;
    // 确保线程安全，没有其他线程添加缓存
    if (cache_getImp(cls, sel)) return;
    // 通过类对象获取到cache 
    cache_t *cache = getCache(cls);
    // 将SEL包装成Key
    cache_key_t key = getKey(sel);
   // 占用空间+1
    mask_t newOccupied = cache->occupied() + 1;
   // 获取缓存列表的缓存能力，能存储多少个键值对
    mask_t capacity = cache->capacity();
    if (cache->isConstantEmptyCache()) {
        // 如果为空的，则创建空间，这里创建的空间为4个。
        cache->reallocate(capacity, capacity ?: INIT_CACHE_SIZE);
    }
    else if (newOccupied <= capacity / 4 * 3) {
        // 如果所占用的空间占总数的3/4一下，则继续使用现在的空间
    }
    else {
       // 如果占用空间超过3/4则扩展空间
        cache->expand();
    }
    // 通过key查找合适的存储空间。
    bucket_t *bucket = cache->find(key, receiver);
    // 如果key==0则说明之前未存储过这个key，占用空间+1
    if (bucket->key() == 0) cache->incrementOccupied();
    // 存储key，imp 
    bucket->set(key, imp);
}

reallocate函数负责分配散列表空间

void cache_t::reallocate(mask_t oldCapacity, mask_t newCapacity)
{
    // 旧的散列表能否被释放
    bool freeOld = canBeFreed();
    // 获取旧的散列表
    bucket_t *oldBuckets = buckets();
    // 通过新的空间需求量创建新的散列表
    bucket_t *newBuckets = allocateBuckets(newCapacity);
 
    assert(newCapacity > 0);
    assert((uintptr_t)(mask_t)(newCapacity-1) == newCapacity-1);
    // 设置Buckets和Mash，Mask的值为散列表长度-1
    setBucketsAndMask(newBuckets, newCapacity - 1);
    // 释放旧的散列表
    if (freeOld) {
        cache_collect_free(oldBuckets, oldCapacity);
        cache_collect(false);
    }
}

散列表初始长度是4

enum {
    INIT_CACHE_SIZE_LOG2 = 2,
    INIT_CACHE_SIZE      = (1 << INIT_CACHE_SIZE_LOG2)
};

当散列表的空间被占用超过3/4的时候，散列表会调用expand ()函数进行扩展

void cache_t::expand()
{
    cacheUpdateLock.assertLocked();
    // 获取旧的散列表的存储空间
    uint32_t oldCapacity = capacity();
    // 将旧的散列表存储空间扩容至两倍
    uint32_t newCapacity = oldCapacity ? oldCapacity*2 : INIT_CACHE_SIZE;
    // 为新的存储空间赋值
    if ((uint32_t)(mask_t)newCapacity != newCapacity) {
        newCapacity = oldCapacity;
    }
    // 调用reallocate函数，重新创建存储空间
    reallocate(oldCapacity, newCapacity);
}

扩容时，会扩大到原来的两倍；

看一下散列表中如何快速的通过key找到相应的bucket呢？我们来到find函数内部

bucket_t * cache_t::find(cache_key_t k, id receiver)
{
    assert(k != 0);
    // 获取散列表
    bucket_t *b = buckets();
    // 获取mask
    mask_t m = mask();
    // 通过key找到key在散列表中存储的下标
    mask_t begin = cache_hash(k, m);
    // 将下标赋值给i
    mask_t i = begin;
    // 如果下标i中存储的bucket的key==0说明当前没有存储相应的key，将b[i]返回出去进行存储
    // 如果下标i中存储的bucket的key==k，说明当前空间内已经存储了相应key，将b[i]返回出去进行存储
    do {
        if (b[i].key() == 0  ||  b[i].key() == k) {
            // 如果满足条件则直接reutrn出去
            return &b[i];
        }
    // 如果走到这里说明上面不满足，那么会往前移动一个空间重新进行判定，直到找到或者转了一圈，又到begin
    } while ((i = cache_next(i, m)) != begin);
 
    // hack
    Class cls = (Class)((uintptr_t)this - offsetof(objc_class, cache));
    cache_t::bad_cache(receiver, (SEL)k, cls);
}

可以发现cache_hash (k, m)函数内部仅仅是进行了key & mask的按位与运算，得到下标即存储在相应的位置上。

static inline mask_t cache_hash(cache_key_t key, mask_t mask) 
{
    return (mask_t)(key & mask);
}

通过上面的分析我们知道_mask的值是散列表的长度减一，那么任何数通过与_mask进行按位与运算之后获得的值都会小于等于_mask，因此不会出现数组溢出的情况。

当第一次使用方法时，消息机制通过isa找到方法之后，会对方法以SEL为keyIMP为value的方式缓存在cache的_buckets中，当第一次存储的时候，会创建具有4个空间的散列表，并将_mask的值置为散列表的长度减一，之后通过SEL & mask计算出方法存储的下标值，并将方法存储在散列表中。举个例子，如果计算出下标值为3，那么就将方法直接存储在下标为3的空间中，前面的空间会留空。

当散列表中存储的方法占据散列表长度超过3/4的时候，散列表会进行扩容操作，将创建一个新的散列表并且空间扩容至原来空间的两倍，并重置_mask的值，最后释放旧的散列表，此时再有方法要进行缓存的话，就需要重新通过SEL & mask计算出下标值之后在按照下标进行存储了。

如果一个类中方法很多，其中很可能会出现多个方法的SEL & mask得到的值为同一个下标值，那么会调用cache_next函数往下标值-1位去进行存储，如果下标值-1位空间中有存储方法，并且key不与要存储的key相同，那么再到前面一位进行比较，直到找到一位空间没有存储方法或者key与要存储的key相同为止，如果到下标0的话就会到下标为_mask的空间也就是最大空间处进行比较，依次进行，直到找到合适的下标，或者回到开始的地方。

当要查找方法时，并不需要遍历散列表，同样通过SEL & mask计算出下标值，直接去下标值的空间取值即可，同上，如果下标值中存储的key与要查找的key不相同，就去前面一位查找。这样虽然占用了少量控件，但是大大节省了时间，也就是说其实apple是使用空间换取了存取的时间。

方法缓存实例

demo如下：

MJClassInfo.h 是仿写的源码，方便使用。

//
//  MJClassInfo.h
//  TestClass
//
//  Created by MJ Lee on 2018/3/8.
//  Copyright © 2018年 MJ Lee. All rights reserved.
//

#import <Foundation/Foundation.h>

#ifndef MJClassInfo_h
#define MJClassInfo_h

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
# endif

#if __LP64__
typedef uint32_t mask_t;
#else
typedef uint16_t mask_t;
#endif
typedef uintptr_t cache_key_t;

#if __arm__  ||  __x86_64__  ||  __i386__
// objc_msgSend has few registers available.
// Cache scan increments and wraps at special end-marking bucket.
#define CACHE_END_MARKER 1
static inline mask_t cache_next(mask_t i, mask_t mask) {
    return (i+1) & mask;
}

#elif __arm64__
// objc_msgSend has lots of registers available.
// Cache scan decrements. No end marker needed.
#define CACHE_END_MARKER 0
static inline mask_t cache_next(mask_t i, mask_t mask) {
    return i ? i-1 : mask;
}

#else
#error unknown architecture
#endif

struct bucket_t {
    cache_key_t _key;
    IMP _imp;
};

struct cache_t {
    bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;
    
    IMP imp(SEL selector)
    {
        mask_t begin = _mask & (long long)selector;
        mask_t i = begin;
        do {
            if (_buckets[i]._key == 0  ||  _buckets[i]._key == (long long)selector) {
                return _buckets[i]._imp;
            }
        } while ((i = cache_next(i, _mask)) != begin);
        return NULL;
    }
};

struct entsize_list_tt {
    uint32_t entsizeAndFlags;
    uint32_t count;
};

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
};

struct method_list_t : entsize_list_tt {
    method_t first;
};

struct ivar_t {
    int32_t *offset;
    const char *name;
    const char *type;
    uint32_t alignment_raw;
    uint32_t size;
};

struct ivar_list_t : entsize_list_tt {
    ivar_t first;
};

struct property_t {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

struct property_list_t : entsize_list_tt {
    property_t first;
};

struct chained_property_list {
    chained_property_list *next;
    uint32_t count;
    property_t list[0];
};

typedef uintptr_t protocol_ref_t;
struct protocol_list_t {
    uintptr_t count;
    protocol_ref_t list[0];
};

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;  // instance对象占用的内存空间
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif
    const uint8_t * ivarLayout;
    const char * name;  // 类名
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;  // 成员变量列表
    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;
};

struct class_rw_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t version;
    const class_ro_t *ro;
    method_list_t * methods;    // 方法列表
    property_list_t *properties;    // 属性列表
    const protocol_list_t * protocols;  // 协议列表
    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;
    char *demangledName;
};

#define FAST_DATA_MASK          0x00007ffffffffff8UL
struct class_data_bits_t {
    uintptr_t bits;
public:
    class_rw_t* data() {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
};

/* OC对象 */
struct mj_objc_object {
    void *isa;
};

/* 类对象 */
struct mj_objc_class : mj_objc_object {
    Class superclass;
    cache_t cache;
    class_data_bits_t bits;
public:
    class_rw_t* data() {
        return bits.data();
    }
    
    mj_objc_class* metaClass() {
        return (mj_objc_class *)((long long)isa & ISA_MASK);
    }
};

#endif /* MJClassInfo_h */

MJPerson、MJStudent、MJGoodStudent

@implementation MJPerson
- (void)personTest
{
    NSLog(@"%s", __func__);
}
@end

@implementation MJStudent
- (void)studentTest
{
    NSLog(@"%s", __func__);
}
@end

@implementation MJGoodStudent

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

main

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "MJGoodStudent.h"
#import "MJClassInfo.h"

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        
        MJGoodStudent *goodStudent = [[MJGoodStudent alloc] init];
        mj_objc_class *goodStudentClass = (__bridge mj_objc_class *)[MJGoodStudent class];
        
        mj_objc_class *personClass1 = (__bridge mj_objc_class *)[[MJGoodStudent superclass] superclass];
        
        mj_objc_class *personClass2 = (__bridge mj_objc_class *)[MJPerson class];
        
        [goodStudent goodStudentTest];
        [goodStudent studentTest];
        [goodStudent personTest];
        [goodStudent goodStudentTest];
        [goodStudent studentTest];
        
        NSLog(@"--------------------------");
        
        
        //获取缓存里的方法
        cache_t cache = goodStudentClass->cache;
        NSLog(@"%s %p", @selector(personTest), cache.imp(@selector(personTest)));
        NSLog(@"%s %p", @selector(studentTest), cache.imp(@selector(studentTest)));
        NSLog(@"%s %p", @selector(goodStudentTest), cache.imp(@selector(goodStudentTest)));
        
        
//        bucket_t *buckets = cache._buckets;
//
//        bucket_t bucket = buckets[(long long)@selector(studentTest) & cache._mask];
//        NSLog(@"%s %p", bucket._key, bucket._imp);
        
        //遍历方式获取
//        for (int i = 0; i <= cache._mask; i++) {
//            bucket_t bucket = buckets[i];
//            NSLog(@"%s %p", bucket._key, bucket._imp);
//        }
        
        
        NSLog(@"123");
    }
    return 0;
}

结果：

• 断点断在第一个 [goodStudent goodStudentTest]前; 会发现 goodStudentClass的缓存里只有一个方法，是init.
• 断点断在 [goodStudent studentTest]后面，会发现，goodStudentClass的缓存有三个方法。goodStudent通过isa指针或者superclass指针找到方法后，会缓存在自己的类对象的cache_t里，而不是缓存在父类类对象的cache_t里。
• 断点断在 [goodStudent personTest]后面,会发现：

1. goodStudent类对象的缓存散列表长度不够，重新分配长度=旧长度*2，此时散列表会清空，注意，清空后并不会把原来的缓存重新放入。清空后原来的缓存就没了。
2. personClass1和personClass2地址一样。而且自始至终该类对象的缓存里都没有任何方法，所以印证了上面所说，并不会缓存在父类的类对象的cache_t里。
   

• 后面就是获取缓存方法。