Objective-C對象模型及應用

前言

原創文章，轉載請註明出自唐巧的技術博客。

本文主要介紹Objective-C對象模型的實現細節，以及Objective-C語言對象模型中對isa swizzling和method swizzling的支持。希望本文能加深你對Objective-C對象的理解。

ISA指針

Objective-C是一門面向對象的編程語言。每一個對象都是一個類的實例。在Objective-C語言的內部，每一個對象都有一個名爲isa的指針，指向該對象的類。每一個類描述了一系列它的實例的特點，包括成員變量的列表，成員函數的列表等。每一個對象都可以接受消息，而對象能夠接收的消息列表是保存在它所對應的類中。

在XCode中按Shift + Command + O, 然後輸入NSObject.h和objc.h，可以打開NSObject的定義頭文件，通過頭文件我們可以看到，NSObject就是一個包含isa指針的結構體，如下圖所示：

按照面嚮對象語言的設計原則，所有事物都應該是對象（嚴格來說Objective-C並沒有完全做到這一點，因爲它有象int, double這樣的簡單變量類型）。在Objective-C語言中，每一個類實際上也是一個對象。每一個類也有一個名爲isa的指針。每一個類也可以接受消息，例如[NSObject alloc]，就是向NSObject這個類發送名爲alloc消息。

在XCode中按Shift + Command + O, 然後輸入runtime.h，可以打開Class的定義頭文件，通過頭文件我們可以看到，Class也是一個包含isa指針的結構體，如下圖所示。（圖中除了isa外還有其它成員變量，但那是爲了兼容非2.0版的Objective-C的遺留邏輯，大家可以忽略它。）

因爲類也是一個對象，那它也必須是另一個類的實列，這個類就是元類(metaclass)。元類保存了類方法的列表。當一個類方法被調用時，元類會首先查找它本身是否有該類方法的實現，如果沒有，則該元類會向它的父類查找該方法，直到一直找到繼承鏈的頭。

元類(metaclass)也是一個對象，那麼元類的isa指針又指向哪裏呢？爲了設計上的完整，所有的元類的isa指針都會指向一個根元類(root metaclass)。根元類(root metaclass)本身的isa指針指向自己，這樣就行成了一個閉環。上面提到，一個對象能夠接收的消息列表是保存在它所對應的類中的。在實際編程中，我們幾乎不會遇到向元類發消息的情況，那它的isa指針在實際上很少用到。不過這麼設計保證了面向對象的乾淨，即所有事物都是對象，都有isa指針。

我們再來看看繼承關係，由於類方法的定義是保存在元類(metaclass)中，而方法調用的規則是，如果該類沒有一個方法的實現，則向它的父類繼續查找。所以，爲了保證父類的類方法可以在子類中可以被調用，所以子類的元類會繼承父類的元類，換而言之，類對象和元類對象有着同樣的繼承關係。

我很想把關係說清楚一些，但是這塊兒確實有點繞，下面這張圖或許能夠讓大家對isa和繼承的關係清楚一些（該圖片來自這裏）

該圖中，最讓人困惑的莫過於Root Class了。在實現中，Root Class是指NSObject，我們可以從圖中看出：

NSObject類包括它的對象實例方法。
NSObject的元類包括它的類方法，例如alloc方法。
NSObject的元類繼承自NSObject類。
一個NSObject的類中的方法同時也會被NSObject的子類在查找方法時找到。

類的成員變量

如果把類的實例看成一個C語言的結構體（struct），上面說的isa指針就是這個結構體的第一個成員變量，而類的其它成員變量依次排列在結構體中。排列順序如下圖所示（圖片來自《iOS 6 Programming Pushing the Limits》）：

爲了驗證該說法，我們在XCode中新建一個工程，在main.m中運行如下代碼：

#import <UIKit/UIKit.h>
@interface Father : NSObject {
    int _father;
}
@end
@implementation Father
@end
@interface Child : Father {
    int _child;
}
@end
@implementation Child
@end
int main(int argc, char * argv[])
{
  Child * child = [[Child alloc] init];
  @autoreleasepool {
      // ...
  }
}

我們將斷點下在 @autoreleasepool 處，然後在Console中輸入p *child,則可以看到Xcode輸出如下內容，這與我們上面的說法一致。

(lldb) p *child
(Child) $0 = {
  (Father) Father = {
    (NSObject) NSObject = {
      (Class) isa = Child
    }
    (int) _father = 0
  }
  (int) _child = 0
}

可變與不可變

因爲對象在內存中的排布可以看成一個結構體，該結構體的大小並不能動態變化。所以無法在運行時動態給對象增加成員變量。

相對的，對象的方法定義都保存在類的可變區域中。Objective-C 2.0並未在頭文件中將實現暴露出來，但在Objective-C 1.0中，我們可以看到方法的定義列表是一個名爲 methodLists的指針的指針（如下圖所示）。通過修改該指針指向的指針的值，就可以實現動態地爲某一個類增加成員方法。這也是Category實現的原理。同時也說明了爲什麼Category只可爲對象增加成員方法，卻不能增加成員變量。

需要特別說明一下，通過objc_setAssociatedObject 和 objc_getAssociatedObject方法可以變相地給對象增加成員變量，但由於實現機制不一樣，所以並不是真正改變了對象的內存結構。

除了對象的方法可以動態修改，因爲isa本身也只是一個指針，所以我們也可以在運行時動態地修改isa指針的值，達到替換對象整個行爲的目的。不過該應用場景較少。

系統相關API及應用

isa swizzling的應用

系統提供的KVO的實現，就利用了動態地修改isa指針的值的技術。在蘋果的文檔中可以看到如下描述：

Key-Value Observing Implementation Details

Automatic key-value observing is implemented using a technique called isa-swizzling.

The isa pointer, as the name suggests, points to the object’s class which maintains a dispatch table. This dispatch table essentially contains pointers to the methods the class implements, among other data.

When an observer is registered for an attribute of an object the isa pointer of the observed object is modified, pointing to an intermediate class rather than at the true class. As a result the value of the isa pointer does not necessarily reflect the actual class of the instance.

You should never rely on the isa pointer to determine class membership. Instead, you should use the class method to determine the class of an object instance.

~~類似的，使用isa swizzling的技術的還有系統提供的Key-Value Coding（KVC）。~~ (謝謝大家指出錯誤，KVC並沒有使用到isa swizzling)

Method Swizzling API說明

Objective-C提供了以下API來動態替換類方法或實例方法的實現：

class_replaceMethod 替換類方法的定義
method_exchangeImplementations 交換2個方法的實現
method_setImplementation 設置1個方法的實現

這3個方法有一些細微的差別，給大家介紹如下：

class_replaceMethod在蘋果的文檔（如下圖所示）中能看到，它有兩種不同的行爲。當類中沒有想替換的原方法時，該方法會調用class_addMethod來爲該類增加一個新方法，也因爲如此，class_replaceMethod在調用時需要傳入types參數，而method_exchangeImplementations和method_setImplementation卻不需要。

method_exchangeImplementations 的內部實現其實是調用了2次method_setImplementation方法，從蘋果的文檔中能清晰地瞭解到（如下圖所示）

從以上的區別我們可以總結出這3個API的使用場景:

class_replaceMethod, 當需要替換的方法可能有不存在的情況時，可以考慮使用該方法。
method_exchangeImplementations，當需要交換2個方法的實現時使用。
method_setImplementation 最簡單的用法，當僅僅需要爲一個方法設置其實現方式時使用。

使用示例

我們在開發猿題庫客戶端的筆記功能時，需要使用系統的UIImagePickerController。但是，我們發現，在iOS6.0.2系統下，系統提供的UIImagePickerController在iPad橫屏下有轉屏的Bug，造成其方向錯誤。具體的Bug詳情可以見這裏。

爲了修復該Bug，我們需要替換UIImagePickerController的如下2個方法

- (BOOL)shouldAutorotate;
- (UIInterfaceOrientation)preferredInterfaceOrientationForPresentation;

我們先實現了一個名爲ImagePickerReplaceMethodsHolder的類，用於定義替換後的方法和實現。如下所示：

// ImagePickerReplaceMethodsHolder.h
@interface ImagePickerReplaceMethodsHolder : NSObject
- (BOOL)shouldAutorotate;
- (UIInterfaceOrientation)preferredInterfaceOrientationForPresentation;
@end
// ImagePickerReplaceMethodsHolder.m
@implementation ImagePickerReplaceMethodsHolder
- (BOOL)shouldAutorotate {
    return NO;
}
- (UIInterfaceOrientation)preferredInterfaceOrientationForPresentation {
    return UIInterfaceOrientationPortrait;
}
@end

然後，我們在調用處，判斷當前的iOS版本，對於[iOS6.0, iOS6.1)之間的版本，我們將UIImagePickerController的有問題的方法替換。具體代碼如下：

#define SYSTEM_VERSION_GREATER_THAN_OR_EQUAL_TO(v)  ([[[UIDevice currentDevice] systemVersion] compare:v options:NSNumericSearch] != NSOrderedAscending)
#define SYSTEM_VERSION_LESS_THAN(v)                 ([[[UIDevice currentDevice] systemVersion] compare:v options:NSNumericSearch] == NSOrderedAscending)
+ (void)load {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        [self hackForImagePicker];
    });
}
+ (void)hackForImagePicker {
    // fix bug of image picker under iOS 6.0
    // http://stackoverflow.com/questions/12522491/crash-on-presenting-uiimagepickercontroller-under-ios-6-0
    if (SYSTEM_VERSION_GREATER_THAN_OR_EQUAL_TO(@"6.0")
        && SYSTEM_VERSION_LESS_THAN(@"6.1")) {
        Method oldMethod1 = class_getInstanceMethod([UIImagePickerController class], @selector(shouldAutorotate));
        Method newMethod1 = class_getInstanceMethod([ImagePickerReplaceMethodsHolder class], @selector(shouldAutorotate));
        method_setImplementation(oldMethod1, method_getImplementation(newMethod1));
        Method oldMethod2 = class_getInstanceMethod([UIImagePickerController class], @selector(preferredInterfaceOrientationForPresentation));
        Method newMethod2 = class_getInstanceMethod([ImagePickerReplaceMethodsHolder class], @selector(preferredInterfaceOrientationForPresentation));
        method_setImplementation(oldMethod2, method_getImplementation(newMethod2));
    }
}

通過如上代碼，我們就針對iOS特定版本的有問題的系統庫函數打了Patch，使問題得到解決。

開源界的使用

有少量不明真相的同學以爲蘋果在審覈時會拒絕App使用以上API，這其實是對蘋果的誤解。使用如上API是安全的。另外，開源界也對以上方法都適當的使用。例如：

著名的網絡庫AFNetworking。AFNetworking網絡庫(v1.x版本)使用了class_replaceMethod方法（AFHTTPRequestOperation.m文件第105行）
Nimbus。Nimbus是著名的工具類庫，它在其core模塊中提供了NIRuntimeClassModifications.h文件，用於提供上述API的封裝。
國內的大衆點評iOS客戶端。該客戶端使用了他們自己開發的基於Wax修改而來的WaxPatch，WaxPatch可以實現通過服務器更新來動態修改客戶端的邏輯。而WaxPatch主要是修改了wax中的wax_instance.m文件，在其中加入了class_replaceMethod來替換原始實現，從而實現修改客戶端的原有行爲。

總結

通過本文，我們瞭解到了Objective-C語言的對象模型，以及Objective-C語言對象模型中對isa swizzling和method swizzling的支持。本文也通過具體的實例代碼和開源項目，讓我們對該對象模型提供的動態性有了更加深刻的認識。

後記

文章發表後，一些同行指出在ARM64的CPU下，isa的內部結構有變化。這點我是知道的，不過希望以後再撰文討論。感興趣的同學可以查看蘋果今年WWDC2013的視頻：《Session 404 Advanced in Objective-C》。

參考鏈接

本文出自：http://blog.devtang.com/, 原文地址：http://blog.devtang.com/blog/2013/10/15/objective-c-object-model/, 感謝原作者分享。

Objective-C對象模型及應用

前言

ISA指針

類的成員變量

可變與不可變

系統相關API及應用

isa swizzling的應用

Method Swizzling API說明

使用示例

開源界的使用

總結

後記

參考鏈接

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