本文用來介紹 iOS 開發中『Runtime』相關的基礎知識。通過本文，您將瞭解到：
- 什麼是 Runtime？
- 消息機制的基本原理
- Runtime 中的概念解析（objc_msgSend 、Class、Object、Meta Class、Method）
- Runtime 消息轉發
- 消息發送以及轉發機制總結
1. 什麼是 Runtime？
我們都知道，將源代碼轉換爲可執行的程序，通常要經過三個步驟：編譯、鏈接、運行。不同的編譯語言，在這三個步驟中所進行的操作又有些不同。
C 語言 作爲一門靜態類語言，在編譯階段就已經確定了所有變量的數據類型，同時也確定好了要調用的函數，以及函數的實現。
而 Objective-C 語言 是一門動態語言。在編譯階段並不知道變量的具體數據類型，也不知道所真正調用的哪個函數。只有在運行時間才檢查變量的數據類型，同時在運行時纔會根據函數名查找要調用的具體函數。這樣在程序沒運行的時候，我們並不知道調用一個方法具體會發生什麼。
Objective-C 語言 把一些決定性的工作從編譯階段、鏈接階段推遲到 運行時階段 的機制，使得 Objective-C 變得更加靈活。我們甚至可以在程序運行的時候，動態的去修改一個方法的實現，這也爲大爲流行的『熱更新』提供了可能性。
而實現 Objective-C 語言 運行時機制 的一切基礎就是 Runtime。
Runtime 實際上是一個庫，這個庫使我們可以在程序運行時動態的創建對象、檢查對象，修改類和對象的方法。
2. 消息機制的基本原理
Objective-C 語言 中，對象方法調用都是類似 [receiver selector]; 的形式，其本質就是讓對象在運行時發送消息的過程。
我們來看看方法調用 [receiver selector]; 在『編譯階段』和『運行階段』分別做了什麼？
- 編譯階段：
[receiver selector];方法被編譯器轉換爲:-
objc_msgSend(receiver，selector)（不帶參數） -
objc_msgSend(recevier，selector，org1，org2，…)（帶參數）
-
- 運行時階段：消息接受者
recevier尋找對應的selector。- 通過
recevier的isa 指針找到recevier的Class（類）； - 在
Class（類）的cache（方法緩存）的散列表中尋找對應的IMP（方法實現）； - 如果在
cache（方法緩存）中沒有找到對應的IMP（方法實現）的話，就繼續在Class（類）的method list（方法列表）中找對應的selector，如果找到，填充到cache（方法緩存）中，並返回selector； - 如果在
Class（類）中沒有找到這個selector，就繼續在它的superClass（父類）中尋找； - 一旦找到對應的
selector，直接執行recevier對應selector方法實現的IMP（方法實現）。 - 若找不到對應的
selector，消息被轉發或者臨時向recevier添加這個selector對應的實現方法，否則就會發生崩潰。
- 通過
在上述過程中涉及了好幾個新的概念：objc_msgSend、isa 指針、Class（類）、IMP（方法實現） 等，下面我們來具體講解一下各個概念的含義。
3. Runtime 中的概念解析
3.1 objc_msgSend
所有 Objective-C 方法調用在編譯時都會轉化爲對 C 函數 objc_msgSend 的調用。objc_msgSend(receiver，selector); 是 [receiver selector]; 對應的 C 函數。
3.2 Class（類）
在 objc/runtime.h 中，Class（類） 被定義爲指向 objc_class 結構體 的指針，objc_class 結構體 的數據結構如下：
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class {
Class _Nonnull isa; // objc_class 結構體的實例指針
#if !__OBJC2__
Class _Nullable super_class; // 指向父類的指針
const char * _Nonnull name; // 類的名字
long version; // 類的版本信息，默認爲 0
long info; // 類的信息，供運行期使用的一些位標識
long instance_size; // 該類的實例變量大小;
struct objc_ivar_list * _Nullable ivars; // 該類的實例變量列表
struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists; // 方法定義的列表
struct objc_cache * _Nonnull cache; // 方法緩存
struct objc_protocol_list * _Nullable protocols; // 遵守的協議列表
#endif
};
從中可以看出，
objc_class 結構體定義了很多變量：自身的所有實例變量（ivars）、所有方法定義（methodLists）、遵守的協議列表（protocols）等。objc_class 結構體存放的數據稱爲 元數據（metadata）。
objc_class 結構體的第一個成員變量是isa 指針，isa 指針保存的是所屬類的結構體的實例的指針，這裏保存的就是objc_class 結構體的實例指針，而實例換個名字就是 對象。換句話說，Class（類）的本質其實就是一個對象，我們稱之爲 類對象。
3.3 Object（對象）
接下來，我們再來看看 objc/objc.h 中關於 Object（對象） 的定義。
Object（對象）被定義爲 objc_object 結構體，其數據結構如下：
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
Class _Nonnull isa; // objc_object 結構體的實例指針
};
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
這裏的 id 被定義爲一個指向 objc_object 結構體 的指針。從中可以看出 objc_object 結構體 只包含一個 Class 類型的 isa 指針。
換句話說，一個 Object（對象）唯一保存的就是它所屬 Class（類） 的地址。當我們對一個對象，進行方法調用時，比如 [receiver selector];，它會通過 objc_object 結構體的 isa 指針 去找對應的 object_class 結構體，然後在 object_class 結構體 的 methodLists（方法列表） 中找到我們調用的方法，然後執行。
3.4 Meta Class（元類）
從上邊我們看出，對象（objc_object 結構體） 的 isa 指針 指向的是對應的 類對象（object_class 結構體）。那麼 類對象（object_class 結構體）的 isa 指針 又指向什麼呢？
object_class 結構體 的 isa 指針 實際上指向的的是 類對象 自身的 Meta Class（元類）。
那麼什麼是 Meta Class（元類）？
Meta Class（元類） 就是一個類對象所屬的 類。一個對象所屬的類叫做 類對象，而一個類對象所屬的類就叫做 元類。
Runtime 中把類對象所屬類型就叫做
Meta Class（元類），用於描述類對象本身所具有的特徵，而在元類的 methodLists 中，保存了類的方法鏈表，即所謂的「類方法」。並且類對象中的isa 指針指向的就是元類。每個類對象有且僅有一個與之相關的元類。
在 2. 消息機制的基本原理 中我們講解了 對象方法的調用過程，我們是通過對象的 isa 指針 找到 對應的 Class（類）；然後在 Class（類） 的 method list（方法列表） 中找對應的 selector 。
而 類方法的調用過程 和對象方法調用差不多，流程如下：
- 通過類對象
isa 指針找到所屬的Meta Class（元類）； - 在
Meta Class（元類）的method list（方法列表）中找到對應的selector; - 執行對應的
selector。
下面看一個示例：
NSString *testString = [NSString stringWithFormat:@"%d,%s",3, "test"];
上邊的示例中，stringWithFormat: 被髮送給了 NSString 類，NSString 類 通過 isa 指針 找到 NSString 元類，然後在該元類的方法列表中找到對應的 stringWithFormat: 方法，然後執行該方法。
3.5 實例對象、類、元類之間的關係
上面，我們講解了 實例對象（Object）、類（Class）、Meta Class（元類） 的基本概念，以及簡單的指向關係。下面我們通過一張圖來清晰地表示出這種關係。
我們先來看 isa 指針：
- 水平方向上，每一級中的
實例對象的isa 指針指向了對應的類對象，而類對象的isa 指針指向了對應的元類。而所有元類的isa 指針最終指向了NSObject 元類，因此NSObject 元類也被稱爲根元類。 - 垂直方向上，
元類的isa 指針和父類元類的isa 指針都指向了根元類。而根元類的isa 指針又指向了自己。
我們再來看 父類指針：
-
類對象的父類指針指向了父類的類對象，父類的類對象又指向了根類的類對象，根類的類對象最終指向了 nil。 -
元類的父類指針指向了父類對象的元類。父類對象的元類的父類指針指向了根類對象的元類，也就是根元類。而根元類的父親指針指向了根類對象，最終指向了 nil。
3.6 Method（方法）
object_class 結構體 的 methodLists（方法列表）中存放的元素就是 Method（方法）。
先來看下 objc/runtime.h 中，表示 Method（方法） 的 objc_method 結構體 的數據結構：
/// An opaque type that represents a method in a class definition.
/// 代表類定義中一個方法的不透明類型
typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
SEL _Nonnull method_name; // 方法名
char * _Nullable method_types; // 方法類型
IMP _Nonnull method_imp; // 方法實現
};
可以看到，objc_method 結構體 中包含了 method_name（方法名），method_types（方法類型） 和 method_imp（方法實現）。下面，我們來了解下這三個變量。
SEL method_name; // 方法名
/// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;
SEL 是一個指向 objc_selector 結構體 的指針，但是在 runtime 相關頭文件中並沒有找到明確的定義。不過，通過測試我們可以得出： SEL 只是一個保存方法名的字符串。
SEL sel = @selector(viewDidLoad);
NSLog(@"%s", sel); // 輸出：viewDidLoad
SEL sel1 = @selector(test);
NSLog(@"%s", sel1); // 輸出：test
IMP method_imp; // 方法實現
/// A pointer to the function of a method implementation.
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ );
#else
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...);
#endif
IMP 的實質是一個函數指針，所指向的就是方法的實現。IMP用來找到函數地址，然後執行函數。
char * method_types; // 方法類型
方法類型 method_types 是個字符串，用來存儲方法的參數類型和返回值類型。
到這裏，
Method的結構就已經很清楚了，Method將SEL（方法名）和IMP（函數指針）關聯起來，當對一個對象發送消息時，會通過給出的SEL（方法名）去找到IMP（函數指針），然後執行。
4. Runtime 消息轉發
在 2. 消息機制的基本原理 最後一步中我們提到：若找不到對應的 selector，消息被轉發或者臨時向 recevier 添加這個 selector 對應的實現方法，否則就會發生崩潰。
當一個方法找不到的時候，Runtime 提供了 消息動態解析、消息接受者重定向、消息重定向 等三步處理消息，具體流程如下圖所示：
4.1 消息動態解析
Objective-C 運行時會調用 +resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod:，讓你有機會提供一個函數實現。我們可以通過重寫這兩個方法，添加其他函數實現，並返回 YES， 那運行時系統就會重新啓動一次消息發送的過程。
主要用的的方法如下：
// 類方法未找到時調起，可以在此添加類方法實現
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel;
// 對象方法未找到時調起，可以在此對象方法實現
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel;
/**
* class_addMethod 向具有給定名稱和實現的類中添加新方法
* @param cls 被添加方法的類
* @param name selector 方法名
* @param imp 實現方法的函數指針
* @param types imp 指向函數的返回值與參數類型
* @return 如果添加方法成功返回 YES，否則返回 NO
*/
BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp,
const char * _Nullable types);
舉個例子：
#import "ViewController.h"
#include "objc/runtime.h"
@interface ViewController ()
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// 執行 fun 函數
[self performSelector:@selector(fun)];
}
// 重寫 resolveInstanceMethod: 添加對象方法實現
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
if (sel == @selector(fun)) { // 如果是執行 fun 函數，就動態解析，指定新的 IMP
class_addMethod([self class], sel, (IMP)funMethod, "v@:");
return YES;
}
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
void funMethod(id obj, SEL _cmd) {
NSLog(@"funMethod"); //新的 fun 函數
}
@end
打印結果：
2019-06-12 10:25:39.848260+0800 runtime[14884:7977579] funMethod
從上邊的例子中，我們可以看出，雖然我們沒有實現 fun 方法，但是通過重寫 resolveInstanceMethod: ，利用 class_addMethod 方法添加對象方法實現 funMethod 方法，並執行。從打印結果來看，成功調起了funMethod 方法。
我們注意到 class_addMethod 方法中的特殊參數
v@:，具體可參考官方文檔中關於Type Encodings的說明：傳送門
4.2 消息接受者重定向
如果上一步中 +resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod: 沒有添加其他函數實現，運行時就會進行下一步：消息接受者重定向。
如果當前對象實現了 -forwardingTargetForSelector:，Runtime 就會調用這個方法，允許我們將消息的接受者轉發給其他對象。
用到的方法：
// 重定向方法的消息接收者，返回一個類或實例對象
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;
注意：這裏
+resolveInstanceMethod:或者+resolveClassMethod:無論是返回YES，還是返回NO，只要其中沒有添加其他函數實現，運行時都會進行下一步。
舉個例子：
#import "ViewController.h"
#include "objc/runtime.h"
@interface Person : NSObject
- (void)fun;
@end
@implementation Person
- (void)fun {
NSLog(@"fun");
}
@end
@interface ViewController ()
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// 執行 fun 方法
[self performSelector:@selector(fun)];
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
return YES; // 爲了進行下一步 消息接受者重定向
}
// 消息接受者重定向
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
if (aSelector == @selector(fun)) {
return [[Person alloc] init];
// 返回 Person 對象，讓 Person 對象接收這個消息
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
打印結果：
2019-06-12 17:34:05.027800+0800 runtime[19495:8232512] fun
可以看到，雖然當前 ViewController 沒有實現 fun 方法，+resolveInstanceMethod: 也沒有添加其他函數實現。但是我們通過 forwardingTargetForSelector 把當前 ViewController 的方法轉發給了 Person 對象去執行了。打印結果也證明我們成功實現了轉發。
我們通過 forwardingTargetForSelector 可以修改消息的接收者，該方法返回參數是一個對象，如果這個對象是不是 nil，也不是 self，系統會將運行的消息轉發給這個對象執行。否則，繼續進行下一步：消息重定向流程。
4.3 消息重定向
如果經過消息動態解析、消息接受者重定向，Runtime 系統還是找不到相應的方法實現而無法響應消息，Runtime 系統會利用 -methodSignatureForSelector: 方法獲取函數的參數和返回值類型。
- 如果
-methodSignatureForSelector:返回了一個NSMethodSignature對象（函數簽名），Runtime 系統就會創建一個NSInvocation對象，並通過-forwardInvocation:消息通知當前對象，給予此次消息發送最後一次尋找 IMP 的機會。 - 如果
-methodSignatureForSelector:返回nil。則 Runtime 系統會發出-doesNotRecognizeSelector:消息，程序也就崩潰了。
所以我們可以在 -forwardInvocation: 方法中對消息進行轉發。
用到的方法：
// 獲取函數的參數和返回值類型，返回簽名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;
// 消息重定向
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation；
舉個例子：
#import "ViewController.h"
#include "objc/runtime.h"
@interface Person : NSObject
- (void)fun;
@end
@implementation Person
- (void)fun {
NSLog(@"fun");
}
@end
@interface ViewController ()
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// 執行 fun 函數
[self performSelector:@selector(fun)];
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
return YES; // 爲了進行下一步 消息接受者重定向
}
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
return nil; // 爲了進行下一步 消息重定向
}
// 獲取函數的參數和返回值類型，返回簽名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"fun"]) {
return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
}
return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}
// 消息重定向
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
SEL sel = anInvocation.selector; // 從 anInvocation 中獲取消息
Person *p = [[Person alloc] init];
if([p respondsToSelector:sel]) { // 判斷 Person 對象方法是否可以響應 sel
[anInvocation invokeWithTarget:p]; // 若可以響應，則將消息轉發給其他對象處理
} else {
[self doesNotRecognizeSelector:sel]; // 若仍然無法響應，則報錯：找不到響應方法
}
}
@end
打印結果：
2019-06-13 13:23:06.935624+0800 runtime[30032:8724248] fun
可以看到，我們在 -forwardInvocation: 方法裏面讓 Person 對象去執行了 fun 函數。
既然 -forwardingTargetForSelector: 和 -forwardInvocation: 都可以將消息轉發給其他對象處理，那麼兩者的區別在哪？
區別就在於 -forwardingTargetForSelector: 只能將消息轉發給一個對象。而 -forwardInvocation: 可以將消息轉發給多個對象。
以上就是 Runtime 消息轉發的整個流程。
結合之前講的 2. 消息機制的基本原理，就構成了整個消息發送以及轉發的流程。下面我們來總結一下整個流程。
5. 消息發送以及轉發機制總結
調用 [receiver selector]; 後，進行的流程：
- 編譯階段：
[receiver selector];方法被編譯器轉換爲:-
objc_msgSend(receiver，selector)（不帶參數） -
objc_msgSend(recevier，selector，org1，org2，…)（帶參數）
-
- 運行時階段：消息接受者
recevier尋找對應的selector。- 通過
recevier的isa 指針找到recevier的class（類）； - 在
Class（類）的cache（方法緩存）的散列表中尋找對應的IMP（方法實現）； - 如果在
cache（方法緩存）中沒有找到對應的IMP（方法實現）的話，就繼續在Class（類）的method list（方法列表）中找對應的selector，如果找到，填充到cache（方法緩存）中，並返回selector； - 如果在
class（類）中沒有找到這個selector，就繼續在它的superclass（父類）中尋找； - 一旦找到對應的
selector，直接執行recevier對應selector方法實現的IMP（方法實現）。 - 若找不到對應的
selector，Runtime 系統進入消息轉發機制。
- 通過
- 運行時消息轉發階段：
- 動態解析：通過重寫
+resolveInstanceMethod:或者+resolveClassMethod:方法，利用class_addMethod方法添加其他函數實現； - 消息接受者重定向：如果上一步添加其他函數實現，可在當前對象中利用
-forwardingTargetForSelector:方法將消息的接受者轉發給其他對象； - 消息重定向：如果上一步沒有返回值爲
nil，則利用-methodSignatureForSelector:方法獲取函數的參數和返回值類型。- 如果
-methodSignatureForSelector:返回了一個NSMethodSignature對象（函數簽名），Runtime 系統就會創建一個NSInvocation對象，並通過-forwardInvocation:消息通知當前對象，給予此次消息發送最後一次尋找 IMP 的機會。 - 如果
-methodSignatureForSelector:返回nil。則 Runtime 系統會發出-doesNotRecognizeSelector:消息，程序也就崩潰了。
- 如果
- 動態解析：通過重寫
參考資料
- 文檔：Objective-C 運行時（蘋果官方文檔）
- 文檔：Objective-C 運行時編程指南（蘋果官方文檔）
- 博文：Runtime-iOS 運行時基礎篇
- 博文：iOS Runtime 詳解
- 博文：新手也看得懂的 iOS Runtime 教程
以上就是 iOS 開發：『Runtime』詳解（一）：基礎知識 的所有內容了。
整篇文章主要就講了一件事：消息發送以及轉發機制的原理和流程。這也是 Runtime 系統的工作原理。
下一篇筆者準備講一下『Runtime』的實戰應用。
iOS 開發：『Runtime』詳解 系列文章：
- iOS 開發：『Runtime』詳解（一）基礎知識
- iOS 開發：『Runtime』詳解（二）Method Swizzling
- iOS 開發：『Runtime』詳解（三）Category 底層原理
- iOS 開發：『Runtime』詳解（四）獲取類詳細屬性、方法
尚未完成：
- iOS 開發：『Runtime』詳解（五）Crash 防護系統
- iOS 開發：『Runtime』詳解（六）Objective-C 2.0 結構解析
- iOS 開發：『Runtime』詳解（七）KVO 底層實現
- 本文作者： 行走少年郎
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