iOS Runtime 面试精选

Yannik
4 阅读7分钟

  • 问题：你对 Runtime 是如何理解的？

    • Runtime 是一套用 C、C++ 和汇编语言编写的底层 API，为 Objective-C 提供了动态特性。它将数据类型的确定、方法调用的决定等从编译时推迟到运行时。
    • 我们平时写的 OC 代码，最终都会转换成 Runtime 的 C 语言代码来执行，例如 [obj foo] 会被转换成 objc_msgSend(obj, @selector(foo))。

  • 问题：介绍一下 isa 指针？对象、类、元类之间是什么关系？

    • isa 指针：是每一个 Objective-C 对象（包括实例对象和类对象）内部的第一个成员变量，它指向对象所属的类。

    • 三者关系：这是一个经典的三层结构。

      • 实例对象（Instance） ：它的 isa 指向类对象（Class） ，类对象中存储了实例方法列表、属性等信息。
      • 类对象（Class） ：它的 isa 指向元类（Metaclass） ，元类中存储了类方法列表。
      • 元类（Metaclass） ：它的 isa 指向根元类（Root Metaclass，通常是 NSObject 的元类） ，根元类的 isa 指向自己。其 superclass 最终指向根类对象（如 NSObject 类对象），形成一个闭环。

  • 问题：为什么要设计 Metaclass（元类）？

    • 核心目的是为了让类方法的存储和调用机制与实例方法保持统一。在 OC 中，类本身也是一个对象，也需要能够响应消息（即类方法）。元类就是用来存储类方法列表的“类对象”，从而让“发送给类对象的消息”也能通过 isa 指针找到实现。

  • 问题：class_rw_t 和 class_ro_t 有什么区别？

    • class_ro_t：其中的 ro 代表 Read-Only。它存储的是类在编译时就已经确定的属性、方法、协议等信息，在运行期间是只读的，不可修改。
    • class_rw_t：其中的 rw 代表 Read-Write。它在运行时被创建，包含了 class_ro_t 的内容，并且为运行时动态添加的内容（如分类的方法、通过 Runtime API 添加的属性）提供了存储空间，这些动态内容是存储在 class_rw_t 中的。

消息传递与转发

  • 问题：OC 中向一个对象发送消息，底层的流程是怎样的？

    • 当调用一个方法时，编译器会将其转换为 objc_msgSend(receiver, selector)。
    • 快速查找：首先根据对象的 isa 指针找到其所属的类，然后在类的方法缓存（cache_t）  中查找方法的实现 IMP。如果找到，直接调用。
    • 慢速查找：如果缓存中没有，则去类的方法列表（class_rw_t 中的方法列表）中查找。如果没找到，就通过 superclass 指针去父类的方法列表中查找，直到根类。
    • 消息转发：如果最终仍然没有找到方法实现，就会进入消息转发流程。

  • 问题：什么是消息转发机制？它在什么情况下会被触发？一共有哪些步骤？

    • 当给一个对象发送了其无法响应的消息时（即在类及其父类中都找不到对应的方法实现），就会触发消息转发机制。

    • 完整流程分为三步：

      1. 动态方法解析：首先调用 +resolveInstanceMethod:（或 +resolveClassMethod:），允许开发者在这个阶段动态地添加方法实现。如果返回 YES，Runtime 会重新发送消息。
      2. 快速转发：如果上一步未处理，会调用 -forwardingTargetForSelector:，允许开发者将消息转发给另一个对象处理。这个步骤效率最高，适合简单的消息转发。
      3. 完整消息转发：这是最后的机会。首先调用 -methodSignatureForSelector: 获取方法的方法签名（参数和返回值类型），如果返回不为 nil，则再调用 -forwardInvocation:，将一个 NSInvocation 对象封装给开发者，可以修改其调用目标和方法实现。如果这一步也没处理，最终会调用 -doesNotRecognizeSelector: 抛出 unrecognized selector sent to instance 异常。

  • 问题：向 nil 对象发送消息会发生什么？

    • 在 Objective-C 中，向 nil 对象发送任何消息都不会导致程序崩溃。Runtime 的 objc_msgSend 函数在检查到接收者为 nil 时，会直接返回一个默认值（对于返回结构体的消息，返回值是未定义的，但通常也是0填充）。

动态特性与应用

  • 问题：Category（分类） 和 Extension（扩展） 有什么区别？

    • Extension（扩展） ：在编译时决议，可以添加实例变量和方法，但只作为类的私有部分，在 .m 文件中声明。
    • Category（分类） ：在运行时决议，无法直接添加实例变量（但可以通过关联对象间接实现）。分类的方法会被合并到类的方法列表中，如果分类有和类同名的方法，优先调用分类中的实现（最后编译的分类优先）。

  • 问题：Runtime 是如何实现 weak 变量自动置 nil 的？

    • Runtime 维护了一个全局的 SideTables 哈希表，其中每个 SideTable 里都有一个 weak_table_t，它是一个弱引用表。
    • 当一个对象被 __weak 修饰时，Runtime 会以对象的内存地址为 key，将该 weak 指针的地址注册到弱引用表中。
    • 当对象销毁时（dealloc 调用），Runtime 会通过对象地址在弱引用表中找到所有指向它的 weak 指针，并将其全部置为 nil，然后从表中移除该记录。

  • 问题：能否向编译后得到的类中增加实例变量？为什么？

    • 不能。编译后的类，其内存布局（instance_size）和实例变量列表（objc_ivar_list）已经在编译时确定并注册到 Runtime 中，无法再修改。
    • 运行时动态创建的类，在调用 objc_allocateClassPair 之后、objc_registerClassPair 之前，可以通过 class_addIvar 来添加实例变量。因为此时类的内存结构还未最终定型。

💡 一道经典"超纲题"

这是网上流传的一道 Sunnyxx 的考题，可以很好地检验你对 Runtime 底层和内存的掌握程度。

objectivec

// Person类
@interface Person : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
- (void)print;
@end

@implementation Person
- (void)print {
    NSLog(@"my name = %@", self.name);
}
@end

// ViewController.m
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    id cls = [Person class];
    void *obj = &cls;
    [(__bridge id)obj print];
}

问：这段代码会输出什么？会崩溃吗？为什么？

点击查看答案 **答案**：不会崩溃，会打印出当前 `ViewController` 对象的信息，例如 `my name = `。

核心原因：

  1. 栈内存分配：obj 是一个指向栈空间的指针。栈空间的内存地址是从高到低分配的。viewDidLoad 中有 cls 和 obj 两个局部变量，它们的地址是连续的。
  2. isa 指针的奥秘：obj 指向了 cls 的地址。当对 obj 发送 print 消息时，Runtime 会从 obj 指向的内存开始，将其当作一个对象的 isa 指针。巧合的是，cls 本身就是一个指向 Person 类的指针，它恰好可以充当这个"假对象"的 isa，所以 Runtime 能正确地找到 Person 类并调用 print 方法。
  3. 访问成员变量：关键在于 print 方法中访问了 self.name。name 属性的 getter 方法本质上是通过 self 指针，跳过 isa 指针的长度（8字节），来读取内存中的值。在这个例子中，self 就是 obj，obj 指向的是 cls 的地址。那么 obj + 8 会指向哪里？由于 cls 和 obj 是连续的栈变量，cls 占8字节，obj + 8 正好指向了 cls 变量下方的内存。而在调用 [super viewDidLoad] 时，系统会生成一个临时结构体（包含 self 和 ViewController 类），这个结构体恰好位于栈上，其地址覆盖了 cls 下方的内存。因此，self.name 实际上读取到了 self（即当前的 ViewController 实例）的地址，所以打印出了 ViewController 的信息。

希望这份总结对你的面试准备有所帮助。除了概念本身，这些底层原理之间的关联性（比如 isa 如何连接消息发送和 weak 如何影响对象生命周期）往往是面试官考察的重点。祝你面试顺利！

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