1 前言
1.1 什么是Objective-C？
Objective-C（简称OC）是 C 的超集，也是一门面向对象编程的语言。
与 C 语言不同的是，虽然 OC 关于 C 的部分是静态的，但是关于面向对象的部分是动态的。所谓的静态，指的是在编译期间所有的函数、结构体等都确定好了内存地址，调用行为都被解析为内存地址+偏移量。而动态指的是，代码的合法性会延迟到运行的过程中校验，调用行为会被解析为调用底层语言的接口。
而与其他面向对象的高级语言相比，OC 的动态特性则更为明显，它支持在程序运行时动态的创建类、添加方法、替换方法。
OC 代码经过 Xcode（ Apple 官方 IDE）编译后，会成为直接与 Runtime 交互的运行时代码（C/C++），再进行之后的编译过程。
下面看一个简单例子：
通过 clang -rewrite-objc main.m 命令将图左的 OC 代码文件 main.m 编译为图右的main.cpp 文件。
可以看到 main 方法中实例对象 p 的创建过程变成了：通过 objc_msgSend 函数向 Person 类发送消息的方式来调用类方法 new，同样实例对象 p 的 setAge 方法调用也变成了向 p 发送消息的方式。其中 objc_msgSend、objc_getClass、sel_registerName 都是 Runtime 中的 Api。
1.2 什么是OC中的Runtime？
OC 中的 Runtime 是 OC 这门语言为了支持语言的动态特性而催生出的底层动态链接库（libobjc），由C、C++、汇编共同实现，它充当着 OC 语言的操作系统，将尽可能多的决策从编译时推迟到运行时，使 OC 具有动态性和灵活性。本文抛砖引玉，结合源码（版本为objc4-866.9）从 OC 面向对象的实现以及消息机制两方面对 Runtime 进行浅析，更详细的原理大家可以阅读源码探索。Runtime 源码地址：opensource.apple.com/releases/ 搜索相应系统版本 objc 源码（注：无法直接编译，须下载补全其他缺失文件）。
2 面向对象的实现
2.1 类的结构
凡面向对象大都离不开类，类是描述一个对象规格的模板，我们先从类的结构入手分析。
打开 Runtime 源码找到 Class 的定义：
继续看 objc_class 这个结构体：（截取关键代码）
objc_class 继承 objc_object，含有成员变量：superclass、bits。bits 为 class_data_bits_t 结构体类型，含有成员变量：data、safe_ro。
- data：class_rw_t 结构体类型，rw 表示可读写；
- safe_ro：class_ro_t 结构体类型，ro 表示只读。
class_rw_t 与 class_ro_t 结构体的定义如下：（截取关键代码）
class_ro_t 内的方法、协议、成员变量、属性列表在编译时就确定了，不可修改。而 class_rw_t 可在运行时动态修改内容。可以看出 Class 的本质为结构体，并且其中描述了类的成员变量、属性、方法、协议列表等信息。
2.2 对象的创建
在探索对象创建流程之前，我们先梳理一下 OC 中的对象：
- 实例对象（instance）：通过alloc方法基于类实例化出来的数据结构，每个实例对象存储自己属性的值。
- 类对象（class）：在 OC 中类本身也是一个对象，在编译时被创建，每个类在内存中只有一个类对象，类对象中保存了该类的信息，比如类名、父类、成员变量列表、属性列表、实例方法列表。
- 元类对象（meta-class）：系统在编译时创建，同样每个类在内存中有且只有一个元类对象，元类对象中保存了类属性列表、类方法列表。可以将类对象看作是元类对象的实例。
注意区分一点，成员变量的值是存储在实例对象中的，因为只有当我们创建实例对象的时候才为成员变赋值。但是成员变量叫什么名字，是什么类型，只需要有一份就可以了，所以存储在类对象中。
在开发过程中最常见的即是实例对象，我们通常会使用 alloc init 或者 new 方法来创建一个实例对象，那么方法内部是如何实现的呢？我们接着看源码。
如上图，无论是 alloc 还是 new（相当于 alloc + init） 最终都会进入 callAlloc 方法，这里传入的参数 self 即方法的接收者—类对象。
我们日常中使用的 self 实际上不是什么特殊的关键字，而是翻译后的静态函数的第一个入参。所有的 OC 方法都存在两个隐藏入参— self 和 _cmd。当通过 OC 方法调用的方式进行方法调用时，第一个入参 self 会被赋值为接收者（receiver），第二个入参_cmd会被赋值为消息（message、selector）。
slowpath 与 fastpath 是编译器优化的操作，直接去掉完全不影响代码逻辑，hasCustomAWZ 是判断是否自定义实现了 allocWithZone 方法。
正常情况下进入 _objc_rootAllocWithZone 方法，最后进入 _class_createInstanceFromZone 方法如下图（截取关键代码）。
第一步通过 calloc 为实例对象开辟内存空间，第二步通过 initIsa 方法给实例对象的 isa 指针赋值，使其指向类对象。至此一个实例对象诞生，现在可以使用该对象的属性以及调用实例方法了。
2.3 isa的作用
类的结构以及对象的诞生都已经清楚了，那么如何确定一个对象所属的类呢？在OC中，可以使用 id 类型来表示任何对象（id 为objc_object 结构体指针类型，objc_object 结构体中含有 isa 成员变量），所以每个对象都有 isa 指针，isa 在对象被创建时赋值，用于指向它所属的类（类对象或元类对象），获取对应的信息。
值得注意的是 isa 并不仅仅是一个指针，它是一个 isa_t 类型的联合体，在 OC 中因为内存优化的原因，isa 中还存储了其他额外信息，我们这里不做过多探讨，仅列一下当前版本 isa 的主要内容结构如下图。
我们继续向下捋清对象 isa 指针的指向关系，下面是 Apple 官方的对象模型图：
这里的Root Class（根类） 就是 NSObject。
- 子类的实例对象—isa—>子类的类对象—isa—>子类的元类对象—isa—>根类的元类对象，根类的元类对象—isa—>自己。
- 父类的实例对象—isa—>父类的类对象—isa—>父类的元类对象—isa—>根类的元类对象，根类的元类对象—isa—>自己。
- 子类的类对象—superclass—>父类的类对象—superclass—>根类的类对象—superclass—>nil。
- 子类的元类对象—superclass—>父类的元类对象—superclass—>根类的元类对象—superclass—>根类的类对象。
以上的指向关系可以通过 Runtime 中的三个 Api 进行验证：
- objc_getClass：参数为类名的字符串，返回这个类的类对象。
- objc_getMetaClass：参数为类名的字符串，返回这个类的元类对象。
- object_getClass：参数是 id 类型，返回这个 id 的 isa 指针的指向者。
2.4 为什么要设计元类？
- 符合设计原则中的单⼀职责，实例对象只负责存储属性值的事，类对象存储实例⽅法列表，元类对象存储类⽅法列表。
- 复用消息机制，OC 中方法的调用都是通过 objc_msgSend 函数传入消息的接收者和消息的⽅法名来查找对应⽅法的实现，但是+号方法（类方法）和-号方法（实例方法）是可以同名的，所以只能通过传入不同的消息接收者（类对象或元类对象）来实现。
3 消息机制
消息机制是OC运行时特性之一，指通过向对象发送消息来调用方法的一种机制，它使得方法的调用在运行时决定，而不是在编译时静态决定。
在介绍Runtime时，我们提到了消息机制的核心函数：objc_msgSend(id _Nullable self, SEL _Nonnull op, ...)，其中self 表示消息的接收者对象，第二个SEL类型的参数表示方法名对应的选择器（每个方法在编译时被分配一个唯一的SEL和对应的IMP实现），第三个参数...表示方法的参数列表。OC中所有的方法调用都会转换成objc_msgSend，接下来就对该函数的运行流程进行探讨。
3.1 查找流程
- 当 objc_msgSend 被调用时，首先判断消息接收者对象是否为 nil，若为 nil 则直接返回，所以在 OC 中对一个为 nil 的对象发送消息什么都不会发生。
- 获取接收者对象的 isa 指针，查找 isa 指向的类（类对象或元类对象）的缓存是否存在该方法，有则返回方法的 IMP，否则向下继续执行。
- 查找 isa 指向的类（类对象或元类对象）对应的方法列表（Class 中 class_rw_t 结构体的成员变量 methods）是否存在该方法，有则返回方法的 IMP 且加入缓存列表中，否则沿着继承链遍历查找。
- 最后还没找到对应的方法时会进入消息的转发流程。
上述步骤1和2在汇编文件 objc-msg-arm64.s 中实现，步骤3以及之后的转发流程则在objc-runtime-new.mm 文件中的 lookUpImpOrForward 方法中实现。
现在可以确定，OC 的方法调用并不是编译时静态决定，而是通过运行时动态查找的，在这个前提下我们可以在运行时增加对象的方法、替换对象的方法，这两个操作 Runtime 都提供了对应的Api：
- addMethods：在 class_rw_t 的 methods 中添加 method。
- method_exchangeImplementations：替换方法 method_t 结构体中SEL对应的IMP。
3.2 转发流程
当类以及所有的父类中都未找到对应的方法时，则进入消息的转发流程，若最后还无法处理该消息，即会调用NSObject 类中的 doesNotRecognizeSelector: 方法抛出异常。
下面简单描述一下消息转发流程中各步骤的作用。
如上图所述消息的转发流程包括三个步骤:通过在重载方法 +resolveInstanceMethod:（实例方法重载）或者 +resolveClassMethod:（类方法重载）中动态添加（addMethods）被调用的方法，例如：
通过在重定向方法- (id)forwardingTargetForSelector:（实例方法重定向）或者+ (id)forwardingTargetForSelector:（类方法重定向）中将消息转发给其他对象来处理，例如：
通过+ (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation方法手动构造一个 NSInvocation 对象来进行进一步处理，例如：
首先实现获取方法签名方法
转发调用
4 总结
经过本次学习，相信大家对 Runtime 有了更多的认识，也能理解 OC 的动态特性带来的巨大优势。不过也正因为过于动态会导致开发过程中 bug 排查难度增加，而且，由于它在方法调用上，需要经过漫长的消息发送以及消息转发链路，所以往往性能比不上C++、Swift 等静态语言。知己知彼，方能百战不殆，当疑难问题出现时，底层知识的牢固掌握往往能使你保持镇定和拥有足够的应变能力，希望这篇文章对你有所帮助。
