iOS 中 runtime 简单介绍

runtime 总是一副很神秘的样子，就像盖着盖头的新娘，今天就揭下盖头看看新娘（runtime）究竟神秘样子！当然即使揭下盖头也只能看看新娘（runtime）的外貌，究竟内心是什么样的人，还需要长时间的相处去发现。

什么 runtime

runtime简称运行时，是一个c和汇编写的动态库，为 C 添加了面相对象的能力并创造了 Objective-C。也是系统运行时的一些机制，其中最主要的是消息机制。

C语言：函数的调用在编译时会决定调用哪个函数
OC语言：动态调用，也就是说编译时并不能决定真正调用哪个函数，只有在运行时才会根据函数名找到相应的函数调用。

怎样使用 runtime

说了一些没用的废话，那么 runtime 是怎样来使用的呢？下面就简单介绍一下。

常用的头文件

#import <objc/runtime.h> 包含对类、成员变量、属性、方法的操作
#import <objc/message.h> 包含消息机制

发送消息

OC 中方法调用的本质就是让对象发送消息。

比如在 OC 中这样调用方法

// 实例方法
Person *p = [[Person alloc]init];
[p eat];

// 本质：让对象发送消息(在编译时会通过runtime 转换成下面的代码)
objc_msgSend(p, @selector(eat));

// 类方法
[Person eat];

// 本质：底层会把类名调用转换成对象调用，仍然是对象发送消息
objc_msgSend([Person class], @selector(eat));

消息传递的关键是编译器构建每个类和对象时采用的数据结构，每个类必须包含2个必要元素：

1.一个指向父类的指针

2.一个调度表（dispatch table）将类的selector（方法名） 与方法的实际内存地址关联起来。

每个对象都有一个指向其所属类的指针 isa 。

当对象发送消息时，objc_msgSend() 方法根据对象的 isa 指针找到对象的类，然后在类的调度表（dispatch table）中查找 selector ，如果没有找到，objc_msgSend() 方法通过指向父类的指针找到父类，然后在父类的调度表中查找 selector，以此类推直到找到 NSObject 类。一旦找到 selector ，objc_msgSend()方法根据调度表中 selector 的内存地址调用实现。

上面的方法每次都要查找整个调度表，如果类的方法很多，执行起来会消耗较多的时间。为了保证消息的发送与执行速度，系统会将使用过的 selector 会 方法的内存地址缓存起来，每个类都有一个缓存区域，包含当前类使用过的 selector 和父类中使用过的 selector。查找调度表之前，会先查找对象所属类的缓存。

当 selector 没有被实现时，会面临2中情况：

1. 使用 [p eat] 调用
2. 使用 [p performSelector:@selector(eat)]; 调用

第一种情况编译器会报错，第二种情况需要运行时才能确定对象能否接受到消息，这时会进入消息转发流程：

• 消息转发流程

1、动态方法解析
接收到未知消息时（假设person的eat方法尚未实现），runtime会调用+resolveInstanceMethod:（实例方法）或者+resolveClassMethod:（类方法），比如：

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
    NSString *s = NSStringFromSelector(sel);
    if ([s isEqualToString:@"eat"]) {
        class_addMethod([Person class], @selector(eat), (IMP)eatFunc, "v@:");
    }
    
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

void eatFunc(id self, SEL _cmd)
{
    NSLog(@"hello");
}

简单介绍一下 class_addMethod 方法的使用

OBJC_EXPORT BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types) 
参数说明：

cls：被添加方法的类，这里不要使用object_getClass(self)，而是使用 [Person class] 来获取当前类

name：未实现的方法名，比如我的eat方法未实现，这里就用eat

imp：转发的函数，函数名随便命名，比如这里就是eatFunc

types：一个定义该函数返回值类型和参数类型的字符串

这里的type为“v@:”
v ：表示返回值为void ，若是 i 则表示 返回值类型为 int
@ ：参数 id(self)
: : SEL(_cmd)

2、备用接收者
如果以上方法没有做处理，runtime会调用- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector方法。
如果该方法返回了一个非nil（也不能是self）的对象，而且该对象实现了这个方法，那么这个对象就成了消息的接收者，消息就被分发到该对象。
适用情况：通常在对象内部使用，让内部的另外一个对象处理消息，在外面看起来就像是该对象处理了消息。
比如：person 让女朋友 personGirlFriend 来接收这个消息

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    NSString * s = NSStringFromSelector(aSelector);
    if ([s isEqualToString:@"eat"]) {
        return self. personGirlFriend;
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

3、完整消息转发
在- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation方法中选择转发消息的对象，其中anInvocation对象封装了未知消息的所有细节，并保留调用结果发送到原始调用者。
比如：person将消息完整转发給父母 PersonParent来处理

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    if ([PersonParent instancesRespondToSelector:anInvocation.selector]) {
        [anInvocation invokeWithTarget:self. personParent];
    }
}

4、如果在以上三个方法都没有处理未知消息，则会引发异常。

遍历对象属性

OC 中成员变量的实质什么？方法的实质又是什么？类的实质又是什么？

/// An opaque type that represents a method in a class definition.
typedef struct objc_method *Method;

/// An opaque type that represents an instance variable.
typedef struct objc_ivar *Ivar;

/// An opaque type that represents a category.
typedef struct objc_category *Category;

/// An opaque type that represents an Objective-C declared property.
typedef struct objc_property *objc_property_t;

-------------------------------------------------
从上面可以看出：
成员变量的实质是一个指向 objc_ivar 结构体的指针。
方法的实质是一个指向 objc_method 结构体的指针
属性变量的实质是一个指向 objc_property 结构体的指针

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

类的实质就是一个指向 objc_class 结构体的指针

• 使用方法

// 对成员变量的一些操作
- (void)getIvarList:(id)object
{
    u_int count;
    // class_copyIvarList 获取所有成员变量（包括property属性）
    Ivar *lists = class_copyIvarList(object_getClass(object), &count);
    
    for (int i=0; i<count; i++) {
        // 成员变量
        Ivar list = lists[i];
        // 变量名
        const char *name = ivar_getName(list);
        // 变量类型
        const char *type = ivar_getTypeEncoding(list);
        // 获取指定名称的成员变量
        Ivar sList = class_getClassVariable(object_getClass(object), "listName");
        // 获取某个成员变量的值
        id value = object_getIvar(object_getClass(object), sList);
        // 为某个成员变量赋值
        id reValue = (id)@"RENAME";
        object_setIvar(object_getClass(object), sList, reValue);
    }
    // 需要手动释放
    free(lists);
}

// 对属性列表的一些操作
- (void)getProperty:(id)object
{
    u_int count;
    // class_copyPropertyList 获取属性列表
    objc_property_t *properties = class_copyPropertyList(object_getClass(object), &count);
    
    for (int i=0; i<count; i++) {
        // 属性
        objc_property_t property = properties[i];
        // 属性名
        const char *name = property_getName(property);
        // 属性类型
        const char *type = property_getAttributes(property);
        // 获取属性的修饰词
        u_int outCount;
        objc_property_t *types = property_copyAttributeList(property, &outCount);
    }
    // 需要手动释放
    free(properties);
}

• 使用实例1

// 将json 数据转换成model

// 方法一：
- (void)method1:(NSDictionary *)dic
{
    // 必须类型一一对应，不然有可能报错，比如字典中name是@(1234)NSNumber类型，model中name是NSString类型，如果调用name.length 程序就会报错。
    // 使用系统方法
    [self setValuesForKeysWithDictionary:dic];

}

// 针对上面说的问题的解决方案

// 创建一个NSNumber 的类目

// 解决方案一：runtime（方法转移）
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
    NSString *s = NSStringFromSelector(sel);
    if ([s isEqualToString:@"length"]) {
        class_addMethod([NSNumber class], @selector(length), (IMP)lengthFunc, "v@:");
    }
    
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

int lengthFunc(id self, SEL _cmd)
{
    NSString *s = [NSString stringWithFormat:@"%@",self];
    return (int)s.length;
}

// 解决方案二：添加一个叫length的方法
- (int)length
{
    NSString *s = [NSString stringWithFormat:@"%@",self];
    return (int)s.length;
}


// 方法二：
- (void)method2:(NSDictionary *)dic
{
    NSMutableDictionary *keys = [NSMutableDictionary dictionary];
    u_int count;
    objc_property_t *propertyLists = class_copyPropertyList(object_getClass(self), &count);
    
    for (int i=0; i<count; i++) {
    
        objc_property_t propertyList = propertyLists[i];
        NSString *propertyName = [NSString stringWithCString:property_getName(propertyList) encoding:NSUTF8StringEncoding];
        NSString *propertyType = [NSString stringWithCString:property_getAttributes(propertyList) encoding:NSUTF8StringEncoding];
        
        // propertyType 的各个值的意义
        //属性类型  name值：T  value：变化
        //编码类型  name值：C(copy) &(strong) W(weak) 空(assign) 等 value：无
        //非/原子性 name值：空(atomic) N(Nonatomic)  value：无
        //变量名称  name值：V  value：变化

        // 裁剪类型字符串，不适用基本数据类型，只适用NSString，NSNumber，etc
        NSRange range = [propertyType rangeOfString:@"\""];
        propertyType = [propertyType substringFromIndex:range.location + range.length];
        range = [propertyType rangeOfString:@"\""];
        // 裁剪到哪个角标，不包括当前角标
        propertyType = [propertyType substringToIndex:range.location];
        
        [keys setObject:propertyType forKey:propertyName];
        
    }
    
    free(propertyLists);
    
    for (NSString *key in [keys allKeys]) {
        
        if ([dic objectForKey:key]) {
            
            NSString *type = [keys objectForKey:key];
            if ([type isEqualToString:@"NSString"]) {

                NSString* value = [NSString stringWithFormat:@"%@",[dic objectForKey:key]];
                [self setValue:value forKey:key];

            }
            if ([type isEqualToString:@"NSNumber"])
            {
                NSNumber *value = [dic objectForKey:key];
                // __NSCFString,__NSCFNumber,__NSCFBoolean,__NSCFArray,__NSCFDictionary
                if ([value isKindOfClass:NSClassFromString(@"__NSCFString")]) {
                    // @"12"
                    value = value;
                }else if ([value isKindOfClass:NSClassFromString(@"__NSCFNumber")]){
                    // @(12),@(12.3),etc
                    value = @([value floatValue]);
                }else if ([value isKindOfClass:NSClassFromString(@"__NSCFBoolean")])
                {   // @(YES),@(NO)
                    value = @([value boolValue]);
                }
                [self setValue:value forKey:key];
            }
        }
    }
}

// 方法三：找一个比较好的第三方库。

• 使用实例2

// 有时想查看model各个属性的值，但是调试时打印出来的却是一个地址，那么怎样解决这个问题呢？重写debugDescription方法。

- (NSString *)debugDescription
{
    NSMutableDictionary *dictionary = [NSMutableDictionary dictionary];
    u_int count;
    objc_property_t *properties = class_copyPropertyList([self class], &count);
    
    for (int i = 0; i<count; i++) {
        objc_property_t property = properties[i];
        NSString *name = @(property_getName(property));
        id value = [self valueForKey:name]?:@"nil";
        [dictionary setObject:value forKey:name];
    }
    
    free(properties);
    
    return [NSString stringWithFormat:@"<%@: %p> %@",[self class],self,dictionary];
}

添加属性与方法

该如何给系统的类（比如UIButton）添加一个属性或者方法呢？你可能想到了继承。但是如果不能用继承呢？你也许还会想到分类，但是分类只能添加方法不能添加属性啊，不要着急runtime 来了。

// 如何为系统的类添加属性

方案一：继承

方案二：分类+runtime（只用分类不能添加属性）

// 创建UIButton 的分类

// .h 文件
@property (nonatomic, strong) NSString *url;

// .m 文件
- (void)setUrl:(NSString *)url
{
    // 关联对象
    objc_setAssociatedObject(self, @selector(url), url, OBJC_ASSOCIATION_COPY);
}

- (NSString *)url{
    // 获取关联对象
    return objc_getAssociatedObject(self, @selector(url));
}

// 然后就可以访问buton 的 url 属性了，如果需要移除关联对象，将关联对象的值设为nil 即可。

// 当然如果只是在一个类中使用button 的 url 属性， 那么没必要建一个分类，直接在调用类中实现：

// 设置关联
objc_setAssociatedObject(button, @"link", @"这是链接测试", OBJC_ASSOCIATION_COPY);
// 获取关联的值
NSString *link = objc_getAssociatedObject(button, @"link");

// 添加方法：继承，分类，runtime（见上面的描述）

方法交换

有些时候我们希望有自己的方法取代系统的方法（按照自己的方法实现，或者防止程序崩溃），比如防止数组越界或者传入值为nil 时，系统的崩溃。

改变系统方法的实现的方式有：继承，分类（类目），这里再说一种方法的交换。具体需要那种方式自己去判断。

方法交换的相关函数

// 通过方法名获取方法
class_getInstanceMethod(<#__unsafe_unretained Class cls#>, <#SEL name#>)

// 获取一个方法的实现
method_getImplementation(<#Method m#>)

// 获取一个OC实现的编码类型
method_getTypeEncoding(<#Method m#>)

// 添加一个方法
class_addMethod(__unsafe_unretained Class cls, <#SEL name#>, <#IMP imp#>, <#const char *types#>)

// 用一个方法的实现替换
class_replaceMethod(<#__unsafe_unretained Class cls#>, <#SEL name#>, <#IMP imp#>, <#const char *types#>)

// 交换2个方法的实现
method_exchangeImplementations(<#Method m1#>, <#Method m2#>)

• 使用实例

// 防止数组越界
+ (void)load
{
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
    
        Method method1 = class_getInstanceMethod(objc_getClass("__NSArrayI"), @selector(objectAtIndex:));
        Method method2 = class_getInstanceMethod(objc_getClass("__NSArrayI"), @selector(z_objectAtIndex:));
        method_exchangeImplementations(method1, method2); 
    }); 
}

- (id)z_objectAtIndex:(NSUInteger)index
{
    NSLog(@"~~~~~~~:%ld",count);
    if (index >= self.count) {
        return @"haha";
    }else
    {
       return  [self z_objectAtIndex:index];
    }
}

// 上面的写法能解决数组越界的问题，但是z_objectAtIndex: 方法会调用很多次，而且个一段时间就会调用几次，不清楚为什么。是就是这样的机制，还是写法有误？


// 替换imageNamed 方法
+ (void) load
{
    Method method1 = class_getClassMethod([UIImage class], @selector(imageNamed:));
    Method method2 = class_getClassMethod([UIImage class], @selector(z_imageNamed:));
    
    method_exchangeImplementations(method1, method2);
//    IMP imp1 = method_getImplementation(method1);
//    IMP imp2 = method_getImplementation(method2);
//    method_setImplementation(method1, imp2);
//    method_setImplementation(method2, imp1);
}

+ (UIImage *)z_imageNamed:(NSString *)name
{
    NSLog(@"修改名字");
    return  [self z_imageNamed:@"name"];
}
// 这里的z_imageNamed：就只会调用一次。

如何防止button的连点

总结

经过上面的学习，只能说对 runtime 有了一些了解，能够简单的使用一下，如果想要更深入的了解 runtime 还需要持续不断的深入学习。

参考博客：

Objective-C对象模型及应用

objc/runtime 探索

iOS开发教程之Objc Runtime笔记