iOS——runtime

什么是runtime

我们都知道，将源代码转换为可执行的程序，通常要经过三个步骤：编译、链接、运行。
C 语言作为一门静态类语言，在编译阶段就已经确定了所有变量的数据类型，同时也确定好了要调用的函数，以及函数的实现。
而 Objective-C 语言是一门动态语言。在编译阶段并不知道变量的具体数据类型，也不知道所真正调用的哪个函数。只有在运行时间才检查变量的数据类型，同时在运行时才会根据函数名查找要调用的具体函数。
而实现 Objective-C 语言运行时机制的一切基础就是 Runtime。
Runtime 实际上是一个库，这个库使我们可以在程序运行时动态的创建对象、检查对象，修改类和对象的方法。

runtime中的概念解析

runtime中的消息发送机制在“消息传递与消息转发”博客中详细讲解过，因此这里直接贴博客链接，不多赘述：iOS——消息传递和消息转发
在这里插入图片描述

Class（类）

在runtime中，类被定义为指向objc_class结构体的指针。结构体数据结构：

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

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa;                                          // objc_class 结构体的实例指针

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class;                                 // 指向父类的指针
    const char * _Nonnull name;                                  // 类的名字
    long version;                                                // 类的版本信息，默认为 0
    long info;                                                   // 类的信息，供运行期使用的一些位标识
    long instance_size;                                          // 该类的实例变量大小;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars;                     // 该类的实例变量列表
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists; // 方法定义的列表
    struct objc_cache * _Nonnull cache;                          // 方法缓存
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols;             // 遵守的协议列表
#endif

};

objc_class结构体存放的数据称为元数据
objc_class 结构体的第一个成员变量是 isa 指针，isa 指针保存的是所属类的结构体的实例的指针，这里保存的就是 objc_class 结构体的实例指针，而实例换个名字就是对象。换句话说，Class（类）的本质其实就是一个对象，我们称之为类对象。

object（对象）

在“objc/objc.h”中，Object（对象）被定义为 objc_object 结构体，其数据结构如下：

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa;       // objc_object 结构体的实例指针
};

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

这里的 id 被定义为一个指向 objc_object 结构体的指针。从中可以看出 objc_object 结构体只包含一个 Class 类型的 isa 指针。
换句话说，一个 Object（对象）唯一保存的就是它所属 Class（类）的地址。当我们对一个对象，进行方法调用时，比如 [receiver selector];，它会通过 objc_object 结构体的 isa 指针去找对应的 objc_class 结构体，然后在 objc_class 结构体的 methodLists（方法列表）中找到我们调用的方法，然后执行。

Meta Class（元类）

Meta Class（元类）就是一个类对象所属的类。一个对象所属的类叫做类对象，而一个类对象所属的类就叫做元类。

Runtime 中把类对象所属类型就叫做 Meta Class（元类），用于描述类对象本身所具有的特征，而在元类的 methodLists 中，保存了类的方法链表，即所谓的「类方法」。并且类对象中的 isa 指针指向的就是元类。每个类对象有且仅有一个与之相关的元类。

我们是通过对象的 isa 指针找到对应的 Class（类）；然后在 Class（类）的 method list（方法列表）中找对应的 selector 。
而类方法的调用过程和对象方法调用差不多，流程如下：

通过类对象 isa 指针找到所属的 Meta Class（元类）；
在 Meta Class（元类）的 method list（方法列表）中找到对应的 selector;
执行对应的 selector。

比如这段代码：

NSString *testString = [NSString stringWithFormat:@"%d,%s",3, "test"];

上边的示例中，stringWithFormat: 被发送给了 NSString 类，NSString 类通过 isa 指针找到 NSString 元类，然后在该元类的方法列表中找到对应的 stringWithFormat: 方法，然后执行该方法。

实例对象、类、元类之间的关系

在这里插入图片描述

方法（method）

objc_class 结构体的 methodLists（方法列表）中存放的元素就是方法（Method）。

先看runtime中objc_method结构体的数据结构：


/// An opaque type that represents a method in a class definition.
/// 代表类定义中一个方法的不透明类型
typedef struct objc_method *Method;

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name;                    // 方法名
    char * _Nullable method_types;               // 方法类型
    IMP _Nonnull method_imp;                     // 方法实现
};

首先来看方法名：SEL 是一个指向 objc_selector 结构体的指针。SEL的意思同样在“消息传递与消息转发”的博客中有讲：iOS——消息传递和消息转发
其次是方法实现：IMP 的实质是一个函数指针，所指向的就是方法的实现。IMP用来找到函数地址，然后执行函数。IMP在“消息传递与消息转发”的博客中有讲：iOS——消息传递和消息转发
方法类型：方法类型 method_types 是个字符串，用来存储方法的参数类型和返回值类型。

因此，Method 就是将 SEL（方法名）和 IMP（函数指针）关联起来，当对一个对象发送消息时，会通过给出的 SEL（方法名）去找到 IMP（函数指针），然后执行。