Runtime

wanyakun 5/19/2021

Objective-C 语言是一门动态语言。它把一些决策从编译阶段、链接阶段推迟到运行时阶段

静态语言：在编译阶段就已确定所有变量的数据类型，同时也确定要调用的函数，以及函数的实现。常见的静态语言，如：C/C++、Java、C# 等。
动态语言：程序在运行时可以改变其结构。也就是说在运行时检查变量数据类型，同时在运行时才会根据函数名查找要调用的具体函数。如 Objective-C。

# isa

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，变成了一个联合体（union）结构，还使用位域来存储更多的信息

struct objc_object {
private:
    isa_t isa; // 8 bytes
public:
...
}

union isa_t {
    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

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ISA_BITFIELD的定义如下

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
#   define ISA_BITFIELD                                                      \
      uintptr_t nonpointer        : 1;                                       \
      uintptr_t has_assoc         : 1;                                       \
      uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;                                       \
      uintptr_t shiftcls          : 33; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000*/ \
      uintptr_t magic             : 6;                                       \
      uintptr_t weakly_referenced : 1;                                       \
      uintptr_t deallocating      : 1;                                       \
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                       \
      uintptr_t extra_rc          : 19
#   define RC_ONE   (1ULL<<45)
#   define RC_HALF  (1ULL<<18)

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联合体 isa_t 涉及到一个位域的概念.

因为部分数据在存储时候并不需要占用一个完整的字节，只需要占用一个或几个二进制位即可。正是基于这种考虑，C语言又提供了一种叫做位域的数据结构。

这里 ISA_BITFIELD 位域成员通过跟 bits 相与来取对应的值。
在 ISA_BITFIELD 中定义的参数的含义

ISA_BITFIELD

# 类的结构

# objc_class

Objective-C 类是由 Class 类型来表示的
typedef struct objc_class *Class;可以看到Class是一个objc_class的指针

struct objc_class: objc_object {
  // Class isa; 继承自objc_object
  Class superclass;
  cache_t cache;  // formerly cache pointer and vtable
  class_data_bits_t bits; // 用户获取具体类信息
  class_rw_t *data() const {
    return bits.data();
  }
}

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objc_class 继承自objc_object ，主要是继承了一个isa

# class_rw_t 结构体

通过 objc_class 的 bits & FAST_DATA_MASK 获取到 class_rw_t 结构体信息

class_rw_t* data() const {
    return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}

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struct class_rw_t {
    uint32_t flags;
    uint16_t witness;
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    uint16_t index;
#endif
    // explicit_atomic 是为了安全操作
    explicit_atomic<uintptr_t> ro_or_rw_ext;
    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;
    ...
}

struct class_rw_ext_t { // class_rw_t 扩展
    const class_ro_t *ro;
    method_array_t methods;
    property_array_t properties;
    protocol_array_t protocols;
    char *demangledName;
    uint32_t version;
};

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class_rw_t 里面的 methods、properties、protocols 是二维数组，是可读可写的，包含了类的初始内容、分类的内容.

class_rw_t

# class_ro_t 结构体

上述的 class_rw_ext_t 中 class_ro_t 结构体信息：

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif
    const uint8_t * ivarLayout;
    const char * name;
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;
    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;
    ...
}

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class_ro_t 里面的 baseMethodList、baseProtocols、ivars、baseProperties 是一维数组，是只读的，存储了当前类在编译器就已经确定了都属性、方法及遵循的协议

class_ro_t

# method_t 结构体

method_t 是对方法、函数的封装

using MethodListIMP = IMP;
struct method_t {
    SEL name; // 方法、函数名
    const char *types; // 编码 （返回值类型、参数类型）
    MethodListIMP imp; // 指向方法、函数的指针（函数地址）
    ...
};

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# imp属性

method_t 结构体中的 imp 代表函数的具体实现，底层源码中的定义如下：

#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...); 
#endif

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# SEL 属性

SEL 代表方法、函数名，一般叫做选择器，底层结构跟 char * 类似

typedef struct objc_selector *SEL;

获取方法：

可以通过 @selector() 和 sel_registerName() 获得
可以通过 sel_getName() 和 NSStringFromSelector() 转成字符串
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属性

这个 types 值表示什么呢？iOS 中提供了一个叫做 @encode 的指令，可以将具体的类型表示成字符串编码

Code	Meaning	Code	Meaning
c	A char	*	A character string (char *)
i	An int	@	An object (whether statically typed or typed id)
s	A short	#	A class object (Class)
l	A longl is treated as a 32-bit quantity on 64-bit programs.	:	A method selector (SEL)
q	A long long	[array type]	An array
C	An unsigned char	{name=type...}	A structure
I	An unsigned int	(name=type...)	A union
S	An unsigned short	bnum	A bit field of num bits
L	An unsigned long	^type	A pointer to type
Q	An unsigned long long	?	An unknown type (among other things, this code is used for function pointer)
f	A float	d	A double
B	A C++ bool or a C99 _Bool	v	A void

# 方法缓存

Class 内部结构中有个方法缓存（cache_t），调用了方法之后会缓存在里面，他用散列表（哈希表）来缓存曾经调用过的方法，可以提高方法的查找速度

cache_t

这里的散列表的原理就是，通过 @selector(methodName) & _mask 获得一个索引值，通过这个索引就能很快在 buckets 中拿到对应的 bucket_t(key, _imp)

存放：如果生成的索引在 buckets 下已经存在 data 。那么他会把 index - 1，减到零了还没有空闲位置，它会从数组最大值开始继续往前找位置，直到有位置
获取：在拿到 bucket_t 后，会比较一下 key 与 @selector(methodName) 是否对应，如果不对应，那就回按照存放的那样方式一个一个找。如果存满了，buckets 就会走扩容

这就是空间换时间

# 其他

# id是什么，id和void *区别

id: typedef struct objc_object *id;我们创建的一个对象或一个实例，其实就是一个objc_object结构体指针，而我们常用的id也是这个结构体指针。
区别
- void* 是c语言中的泛型指针，指代任意的指针类型。当返回值是一个地址或者指针的时候，返回值可以用void*表示，也可以用此类型来定义任意类型的指针变量表示“对带有无类型/未知内容的某些随机块内存的引用”，只是一个指针，无法编辑指向地址上的内容。
- id是OC语音中的泛型指针，指代任意对象类型的指针。当返回值是一个对象指针的时候，返回值类型都可以用id表示，也可以用此类型来定义任意类型的对象指针变量。表示“对未知类的一些随机Objective-C对象的引用”

# 什么是元类？为什么要这么设计？

元类，和类对象一样，也是一个对象。它存储了一个类的所有类方法。
元类使用基类的元类作为他们的类，而所有类的基类都是NSObject（大多数），所以大多数元类使用NSObject的元类作为它的类。
基类的元类就是它自己的类（isa指向自己）

objc-class

# 消息机制

首先编译器将方法调用编译为objc_msgSend(obj, @selector(methodName));

obj 消息接受者
@selector(methodName) 消息名称

objc_msgSend 的执行流程可以分为 3 大阶段

消息发送
找不到消息发送方法，就会进入动态方法解析，允许开发者动态创建新方法
如果动态方法解析没有做任何操作，这时候开始进入消息转发

如果三个阶段都没找到合适的方法调用，就会报错： unrecognized selector sent to instance

# 消息发送

通过obj的isa指针找到obj对应的class对象
在class对象的cache中通过SEL查找对应的函数method
若cache中找到，直接通过method中的函数指针跳转到对应函数执行。若找不到，去class_rw_t中的methods找
若methods中找到，则将method加入到cache中，方便下次查找，并通过method中的函数指针跳转到对应函数执行。若找不到，则去superClass中查找
若superClass中找到，则将method加入到cache中，方便下次查找，并通过method中的函数指针跳转到对应函数执行。若找不到，依次通过superClass查找，最后都找不到则进入动态解析流程。

# 动态方法解析

动态方法解析：向当前类发送resolveInstanceMethod：或resolveClassMehtod: 消息，检查是否动态向该类添加了方法。
动态解析后，会重新走“消息发送”的流程，从receiverClass的cache中查找方法这一步开始执行

# 消息转发

快速消息转发：检查该类是否实现了forwardingTargetForSelector：方法，若实现了，则调这个方法。若该方法返回非nil且非self，则向该返回对象重新进行发送消息
标准消息转发：runtime发送methodSignatureForSelector：消息获得selector对应的方法签名。若返回值非空，则通过forwardInvocation：转发消息。若返回为空，则向当前对象发送doesNotRecognizeSelector:消息，程序崩溃退出。

# Runtime应用

# 字典转模型

利用 Runtime 遍历所有的属性或者成员变量
利用 KVC 设值

- (instancetype)initWithDict:(NSDictionary *)dict {
    self = [super init];
    if (self) {
        unsigned int count = 0;
        objc_property_t *propertys = class_copyPropertyList([self class], &count);
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            objc_property_t property = propertys[i];
            //通过 property_getName 函数获得属性的名称
            const char *name = property_getName(property);
            NSString *nameStr = [[NSString alloc] initWithUTF8String:name];
            id value = [dict objectForKey:nameStr];
            [self setValue:value forKey:nameStr];
        }
        free(propertys);
    }
    return self;
}

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# 替换方法实现

替换方法实现常用的两个方法：

// 方法替换
IMP class_replaceMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)
// 方法交换
void method_exchangeImplementations(Method m1, Method m2)

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# 对象自动归档

用 Runtime 提供的函数遍历 Model 自身所有属性，并对属性进行 encode 和 decode 操作

- (id)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder {
    if (self = [super init]) {
        unsigned int outCount;
        Ivar * ivars = class_copyIvarList([self class], &outCount);
        for (int i = 0; i < outCount; i ++) {
            Ivar ivar = ivars[i];
            NSString * key = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
            [self setValue:[aDecoder decodeObjectForKey:key] forKey:key];
        }
    }
    return self;
}

- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder {
    unsigned int outCount;
    Ivar * ivars = class_copyIvarList([self class], &outCount);
    for (int i = 0; i < outCount; i ++) {
        Ivar ivar = ivars[i];
        NSString * key = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
        [aCoder encodeObject:[self valueForKey:key] forKey:key];
    }
}

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# 分类添加属性

category里面无法添加实例变量，但是我们很多时候需要在category中添加和对象关联的值，这个时候就需要用到关联对象来实现了。

- (void)setAddName:(NSString *)addName {
    objc_setAssociatedObject(self, @selector(addName), addName, OBJC_ASSOCIATION_COPY);
}

- (NSString *)addName {
    return objc_getAssociatedObject(self, @selector(addName));
}

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内存管理 RunLoop

坤坤同学

Choose mode

Runtime

Runtime

# isa

# 类的结构

# objc_class

# class_rw_t 结构体

# class_ro_t 结构体

# method_t 结构体

# imp属性

# SEL 属性

# types属性

# 方法缓存

# 其他

# id是什么，id和void *区别

# 什么是元类？为什么要这么设计？

# 消息机制

# 消息发送

# 动态方法解析

# 消息转发

# Runtime应用

# 字典转模型

# 替换方法实现

# 对象自动归档

# 分类添加属性