OC运行时(runtime)总结|OC运行时(runtime)总结 -- 类与对象 OC运行时(runtime)总结--类与对象

什么是runtime？ runtime 是OC底层的一套C语言库（），基本上是用C和汇编写的，这个库使得OC具有了面向对象的能力。runtime做的事前就是加载类的信息，进行方法的分发和转发之类的。
类与对象的本质 class Objective-C类是由Class类型来表示的，它实际上是一个指向objc_class结构体的指针。定义如下：

typedef struct objc_class *Class;

查看objc/runtime.h中objc_class结构体的定义如下：

struct objc_class { Class isaOBJC_ISA_AVAILABILITY; #if !__OBJC2__ Class super_classOBJC2_UNAVAILABLE; // 父类 const char *nameOBJC2_UNAVAILABLE; // 类名 long versionOBJC2_UNAVAILABLE; // 类的版本信息，默认为0 long infoOBJC2_UNAVAILABLE; // 类信息，供运行期使用的一些位标识 long instance_sizeOBJC2_UNAVAILABLE; // 该类的实例变量大小 struct objc_ivar_list *ivarsOBJC2_UNAVAILABLE; // 该类的成员变量链表 struct objc_method_list **methodListsOBJC2_UNAVAILABLE; // 方法定义的链表 struct objc_cache *cacheOBJC2_UNAVAILABLE; // 方法缓存 struct objc_protocol_list *protocolsOBJC2_UNAVAILABLE; // 协议链表 #endif} OBJC2_UNAVAILABLE;

在上述objc_class结构体定义中，我们主要关注以下几个字段：

isa: 在OC中，类本身也是一个对象，类的isa指针指向metaClass(元类)，而实例对象的isa指针指向类。
super_class: isa用于自省确定所属类，super_class确定继承关系。所以super_class指向该类的父类，如果该类已经是最顶层的根类(如NSObject或NSProxy)，则super_class为NULL。
cache: 用于缓存最近使用的方法。一个接收者对象接收到一个消息时，它会根据isa指针去查找能够响应这个消息的对象。在实际使用中，这个对象只有一部分方法是常用的，很多方法其实很少用或者根本用不上。这种情况下，如果每次消息来时，我们都是methodLists中遍历一遍，性能势必很差。这时，cache就派上用场了。在我们每次调用过一个方法后，这个方法就会被缓存到cache列表中，下次调用的时候runtime就会优先去cache中查找，如果cache没有，才去methodLists中查找方法。这样，对于那些经常用到的方法的调用，但提高了调用的效率。
version：使用这个字段来提供类的版本信息。这对于对象的序列化非常有用，它可以让我们识别出不同类定义版本中实例变量布局的改变。

类的实例的结构体 objc_object

struct objc_object { Class isaOBJC_ISA_AVAILABILITY; }; typedef struct objc_object *id;

这个结构体只有一个字段，即指向其类的isa指针。向一个OC实例对象发送消息时，runtime库根据这个实例对象的isa指针找到该实例对象所属的类，runtime库会在类的方法列表及父类的方法列表中去寻找与消息对应的selector指向的方法，找到后即运行这个方法。
当创建某个类的实例对象时，分配的内存包含一个objc_object结构体，然后是该类到父类直到根类的成员变量数据。NSObject类的alloc和allocWithZone:方法使用函数class_createInstance来创建objc_object结构体。
【OC运行时(runtime)总结|OC运行时(runtime)总结 -- 类与对象】另外，常见的id类型，它是一个objc_object结构类型的指针。它的存在可以让我们实现类似于C++中泛型的一些操作。该类型的对象可以转换为任何一种对象，有点类似于C语言中void *指针类型的作用。
元类(Meta Class) 在上面我们提到，所有的类自身也是一个对象，我们可以向这个对象发送消息(即调用类方法)。如：

NSArray *array = [NSArray array];

+array消息发送给了NSArray类，而这个NSArray也是一个对象，既然是对象，那么它也有一个objc_object结构体，该结构体内包含一个isa指针，指向该对象所属的类。那么这些就有一个问题了，NSArray对象本身就是一个类，这里的isa指针指向什么呢？不能指向他自己吧？为了调用+array方法，这个类的isa指针必须指向一个包含这些类方法的一个objc_class结构体。这就引出了meta-class(元类)的概念。
当我们向一个对象发送消息时，runtime会在这个对象所属的这个类的方法列表中查找方法；而向一个类发送消息时，会在这个类的meta-class的方法列表中查找。
meta-class之所以重要，是因为它存储着一个类的所有类方法。每个类都会有一个单独的meta-class，因为每个类的类方法基本不可能完全相同。
类与对象相关的操作函数 runtime提供了大量的函数来操作类与对象。类的操作方法大部分是以class为前缀的，而对象的操作方法大部分是以objc或object_为前缀。下面我们将根据这些方法的用途来分类讨论这些方法的使用。
类相关操作函数观察objc_class的定义，runtime提供的操作类的方法主要就是针对这个结构体中的各个字段的。
(1) 类名(name)

// 获取类的类名 const char * class_getName ( Class cls );

对于class_getName函数，如果传入的cls为Nil，则返回一个空字符串。
(2) 父类(super_class)和元类(meta-class)

// 获取类的父类 Class class_getSuperclass ( Class cls ); // 判断给定的Class是否是一个元类 BOOL class_isMetaClass ( Class cls );

class_getSuperclass函数，当cls为Nil或者cls为根类时，返回Nil。不过通常我们可以使用NSObject类的superclass方法来达到同样的目的。
class_isMetaClass函数，如果是cls是元类，则返回YES；如果否或者传入的cls为Nil，则返回NO。
(3) 实例变量大小(instance_size)

// 获取实例大小 size_t class_getInstanceSize ( Class cls );

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(4) 成员变量(ivars)及属性
在objc_class中，所有的成员变量、属性的信息是放在链表ivars中的。ivars是一个数组，数组中每个元素是指向Ivar(变量信息)的指针。runtime提供了丰富的函数来操作这一字段。

// 获取类中指定名称实例成员变量的信息 Ivar class_getInstanceVariable ( Class cls, const char *name ); // 获取类成员变量的信息 Ivar class_getClassVariable ( Class cls, const char *name ); // 添加成员变量 BOOL class_addIvar ( Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types ); // 获取整个成员变量列表 Ivar * class_copyIvarList ( Class cls, unsigned int *outCount );

class_getInstanceVariable函数，它返回一个指向包含name指定的成员变量信息的objc_ivar结构体的指针(Ivar)。
class_getClassVariable函数，目前没有找到关于Objective-C中类变量的信息，一般认为Objective-C不支持类变量。注意，返回的列表不包含父类的成员变量和属性。
Objective-C不支持往已存在的类中添加实例变量，因此不管是系统库提供的提供的类，还是我们自定义的类，都无法动态添加成员变量。但如果我们通过运行时来创建一个类的话，又应该如何给它添加成员变量呢？这时我们就可以使用class_addIvar函数了。不过需要注意的是，这个方法只能在objc_allocateClassPair函数与objc_registerClassPair之间调用。另外，这个类也不能是元类。成员变量的按字节最小对齐量是1< class_copyIvarList函数，它返回一个指向成员变量信息的数组，数组中每个元素是指向该成员变量信息的objc_ivar结构体的指针。这个数组不包含在父类中声明的变量。outCount指针返回数组的大小。需要注意的是，我们必须使用free()来释放这个数组。

// 获取指定的属性 objc_property_t class_getProperty ( Class cls, const char *name ); // 获取属性列表 objc_property_t * class_copyPropertyList ( Class cls, unsigned int *outCount ); // 为类添加属性 BOOL class_addProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount ); // 替换类的属性 void class_replaceProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );

(5) 方法(methodLists)
方法操作主要有以下函数：

// 添加方法 BOOL class_addMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types ); // 获取实例方法 Method class_getInstanceMethod ( Class cls, SEL name ); // 获取类方法 Method class_getClassMethod ( Class cls, SEL name ); // 获取所有方法的数组 Method * class_copyMethodList ( Class cls, unsigned int *outCount ); // 替代方法的实现 IMP class_replaceMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types ); // 返回方法的具体实现 IMP class_getMethodImplementation ( Class cls, SEL name ); IMP class_getMethodImplementation_stret ( Class cls, SEL name ); // 类实例是否响应指定的selector BOOL class_respondsToSelector ( Class cls, SEL sel );

我们可以为类动态添加方法，不管这个类是否已存在。
class_getInstanceMethod class_getClassMethod函数，与class_copyMethodList不同的是，这两个函数都会去搜索父类的实现。
class_copyMethodList函数，返回包含所有实例方法的数组，如果需要获取类方法，则可以使用class_copyMethodList(object_getClass(cls), &count)(一个类的实例方法是定义在元类里面)。该列表不包含父类实现的方法。outCount参数返回方法的个数。在获取到列表后，我们需要使用free()方法来释放它。
class_replaceMethod函数，该函数的行为可以分为两种：如果类中不存在name指定的方法，则类似于class_addMethod函数一样会添加方法；如果类中已存在name指定的方法，则类似于method_setImplementation一样替代原方法的实现。
class_getMethodImplementation函数，该函数在向类实例发送消息时会被调用，并返回一个指向方法实现函数的指针。这个函数会比method_getImplementation(class_getInstanceMethod(cls, name))更快。返回的函数指针可能是一个指向runtime内部的函数，而不一定是方法的实际实现。例如，如果类实例无法响应selector，则返回的函数指针将是运行时消息转发机制的一部分。
class_respondsToSelector函数，我们通常使用NSObject类的respondsToSelector:或instancesRespondToSelector:方法来达到相同目的。
(6) 协议(objc_protocol_list)
协议相关的操作包含以下函数：

// 添加协议 BOOL class_addProtocol ( Class cls, Protocol *protocol ); // 返回类是否实现指定的协议 BOOL class_conformsToProtocol ( Class cls, Protocol *protocol ); // 返回类实现的协议列表 Protocol * class_copyProtocolList ( Class cls, unsigned int *outCount );

class_conformsToProtocol函数可以使用NSObject类的conformsToProtocol:方法来替代。
class_copyProtocolList函数返回的是一个数组，在使用后我们需要使用free()手动释放。
实例相关的操作函数实例操作函数主要是针对我们创建的实例对象的一系列操作函数，我们可以使用这组函数来从实例对象中获取我们想要的一些信息，如实例对象中变量的值。这组函数可以分为三小类：
(1) 对实例对象进行操作的函数

// 返回指定对象的一份拷贝 id object_copy ( id obj, size_t size ); // 释放指定对象占用的内存 id object_dispose ( id obj );

有这样一种场景，假设我们有类A和类B，且类B是类A的子类。类B通过添加一些额外的属性来扩展类A。现在我们创建了一个A类的实例对象，并希望在运行时将这个对象转换为B类的实例对象，这样可以添加数据到B类的属性中。这种情况下，我们没有办法直接转换，因为B类的实例会比A类的实例更大，没有足够的空间来放置对象。此时，我们就要以使用以上几个函数来处理这种情况，如下代码所示：

NSObject *a = [[NSObject alloc] init]; id newB = object_copy(a, class_getInstanceSize(MyClass.class)); object_setClass(newB, MyClass.class); object_dispose(a);

(2) 操作对象的实例变量

// 修改类实例的实例变量的值 Ivar object_setInstanceVariable ( id obj, const char *name, void *value ); // 获取对象实例变量的值 Ivar object_getInstanceVariable ( id obj, const char *name, void **outValue ); // 返回指向给定对象分配的任何额外字节的指针 void * object_getIndexedIvars ( id obj ); // 返回对象中实例变量的值 id object_getIvar ( id obj, Ivar ivar ); // 设置对象中实例变量的值 void object_setIvar ( id obj, Ivar ivar, id value );

如果实例变量的Ivar已经知道，那么调用object_getIvar会比object_getInstanceVariable函数快，相同情况下，object_setIvar也比object_setInstanceVariable快。
(3) 操作对象的类

// 返回给定对象的类名 const char * object_getClassName ( id obj ); // 返回对象的类 Class object_getClass ( id obj ); // 设置对象的类 Class object_setClass ( id obj, Class cls );

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转载自： Objective-C Runtime 运行时之一：类与对象