iOS-RunTime

2022-11-16 16:06:14

原帖：http://www.cnblogs.com/Mike-zh/p/4557014.html

1.Runtime简介

因为Objc是一门动态语言，所以它总是想办法把一些决定工作从编译连接推迟到运行时。也就是说只有编译器是不够的，还需要一个运行时系统 (runtime system) 来执行编译后的代码。这就是 Objective-C Runtime 系统存在的意义，它是整个Objc运行框架的一块基石。
Runtime其实有两个版本:“modern”和 “legacy”。我们现在用的 Objective-C 2.0 采用的是现行(Modern)版的Runtime系统，只能运行在 iOS 和 OS X 10.5 之后的64位程序中。而OS X较老的32位程序仍采用 Objective-C 1中的（早期）Legacy 版本的 Runtime 系统。这两个版本最大的区别在于当你更改一个类的实例变量的布局时，在早期版本中你需要重新编译它的子类，而现行版就不需要。
Runtime基本是用C和汇编写的，可见苹果为了动态系统的高效而作出的努力。你可以在这里下到苹果维护的开源代码。苹果和GNU各自维护一个开源的runtime版本，这两个版本之间都在努力的保持一致。

2.Runtime相关的头文件

ios的sdk中 usr/include/objc文件夹下面有这样几个文件
List.h
NSObjCRuntime.h
NSObject.h
Object.h
Protocol.h
a.txt
hashtable.h
hashtable2.h
message.h
module.map
objc-api.h
objc-auto.h
objc-class.h
objc-exception.h
objc-load.h
objc-runtime.h
objc-sync.h
objc.h
runtime.h
都是和运行时相关的头文件，其中主要使用的函数定义在message.h和runtime.h这两个文件中。在message.h中主要包含了一些向对象发送消息的函数，这是OC对象方法调用的底层实现。 runtime.h是运行时最重要的文件，其中包含了对运行时进行操作的方法。主要包括：

1. 操作对象的类型的定义

/// An opaque type that represents a method in a class definition. 一个类型，代表着类定义中的一个方法

typedef struct objc_method *Method;

/// An opaque type that represents an instance variable.代表实例(对象)的变量

typedef struct objc_ivar *Ivar;

/// An opaque type that represents a category.代表一个分类

typedef struct objc_category *Category;

/// An opaque type that represents an Objective-C declared property.代表OC声明的属性

typedef struct objc_property *objc_property_t;

// Class代表一个类，它在objc.h中这样定义的 typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class {

Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__

Class super_class OBJC2_UNAVAILABLE;

const char *name OBJC2_UNAVAILABLE;

long version OBJC2_UNAVAILABLE;

long info OBJC2_UNAVAILABLE;

long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_ivar_list *ivars OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_method_list **methodLists OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_cache *cache OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE;

#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

这些类型的定义，对一个类进行了完全的分解，将类定义或者对象的每一个部分都抽象为一个类型type，对操作一个类属性和方法非常方便。OBJC2_UNAVAILABLE标记的属性是Ojective-C 2.0不支持的,但实际上可以用响应的函数获取这些属性，例如：如果想要获取Class的name属性，可以按如下方法获取:

Class classPerson = Person.class;

// printf("%s\n", classPerson->name); //用这种方法已经不能获取name了 因为OBJC2_UNAVAILABLE

const char *cname = class_getName(classPerson);

printf("%s", cname); // 输出:Person

2.函数的定义

对对象进行操作的方法一般以object_开头
对类进行操作的方法一般以class_开头
对类或对象的方法进行操作的方法一般以method_开头
对成员变量进行操作的方法一般以ivar_开头
对属性进行操作的方法一般以property_开头开头
对协议进行操作的方法一般以protocol_开头
根据以上的函数的前缀可以大致了解到层级关系。对于以objc_开头的方法，则是runtime最终的管家，可以获取内存中类的加载信息,类的列表，关联对象和关联属性等操作。
例如：使用runtime对当前的应用中加载的类进行打印，别被吓一跳。

- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event {

    unsigned int count = ;

    Class *classes = objc_copyClassList(&count);

    for (int i = ; i < count; i++) {

        const char *cname = class_getName(classes[i]);

        printf("%s\n", cname);

    }

}

3.技术点和应用场景

在以下的代码中，都用到了Person类，Person类知识简单的定义了一个成员变量和两个属性

@interface Person : NSObject

{

    @private

    float _height;

}

@property (nonatomic, copy) NSString *name;

@property (nonatomic, assign) int age;

@end

3_1.获取属性\成员变量列表

对于获取成员变量的列表可以使用class_copyIvarList函数，如果想要获取属性列表可以使用class_copyPropertyList函数，使用的示例如下：

- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event {

Class classPerson = NSClassFromString(@"Person"); // 与下面一句效果一样,可以不用导入头文件

// Class clazz = Person.class;

unsigned int count = ;

Ivar *ivarList = class_copyIvarList(classPerson, &count); // 获取成员变量数组

for (int i = ; i < count; i++) {

const char *cname = ivar_getName(ivarList[i]); // 获取成员变量的名字

NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];

NSLog(@"%@", name);

}

NSLog(@"-------------------分割线------------------");

objc_property_t *propertyList = class_copyPropertyList(classPerson, &count); // 获取属性数组

for (int i = ; i < count; i++) {

const char *cname = property_getName(propertyList[i]);

NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];

NSLog(@"%@", name);

}

}

以上代码的输出为：

-- ::16.194 runtime终极[:] _height

-- ::16.195 runtime终极[:] _age

-- ::16.195 runtime终极[:] _name

-- ::16.195 runtime终极[:] -------------------分割线------------------

-- ::16.195 runtime终极[:] name

-- ::16.195 runtime终极[:] age

为什么会有上面的输出结果，因为@property会做三份工作：
1.生成一个带下划线的成员变量
2.生成这个成员变量的get方法
3.生成这个成员变量的set方法
因此会输出三个成员变量_height、_age和_name。需要注意的是属性名是不带下划线的，和定义时的名字一样。因此可以说：ivarList可以获取到@property关键字定义的属性，而propertyList不可以获取到成员变量。也就是：使用ivarList是可以将所有的成员变量和属性都获取的。
当属性是readonly的而且重写了getter时，这种情况还是会遇见的，比如一个属性是计算型属性，需要依赖其他属性的值计算而来。此时生成的带下划线的成员变量就不在了，通过ivarList不能获取该属性了。因此当有这种值的时候，无论使用ivarList还是使用propertyList都无法获取全部的属性或变量。
在进行下一个话题之前：先需要弄清楚另一个问题:对于一个readonly的属性，到底是didSet+set好，还是重写getter好?
大部分的readonly的属性是计算型的，依旧是依赖于其他属性，因此可以使用didSet+set，也就是在其他属性的set方法内，将本属性set。但是didSet+set有时候完全没有必要，不符合懒加载的规则，浪费了计算能力，用重写getter的方法好一些。因此重写getter总是会好一点。
回归正题：在KVC时，想要获取全部的成员变量和属性，怎么办呢？
首先要了解setValue: forKeyPath:方法的底层实现:以name属性为例
1.首先先去类的方法列表去寻找有木有setName:,如果有，就直接调用[person setName:value]
2.找找有没有带下划线的成员变量_name,如果有 _name = value;
3.找有没有成员变量name,如果有 name = value;
4.如果都没有找到，就直接报错。
因此对于readonly的又重写了getter的属性而言：如果对propertyList的属性一次使用kvc，就会报错，因此为保证代码正常，不能使用propertyList的属性进行kvc；
另外：这种属性本来就是计算型的了，为什么还有为它赋值呢，因此对它进行kvc也不合情理。
当使用ivaList时，直接就无法获取到这种属性，因此是kvc的最佳方案。再者，使用propertyList无法获取成员变量(_height)，无法对成员变量进行赋值。而使用ivaList是可以将该赋值的成员变量都获取的。
<span以上就是使用ivar还是使用property进行kvc的论证。
话题外：很多类有些成员变量既没有暴露给外部调用的getter又没有setter，只是用@private声明了一下：为什么？？
猜测是：是方法调用时使用的中间变量，因为是跟随对象产生，不适合使用静态static，又因为外部不会使用，所以没必要给外部提供接口，但是可能有好几个方法都需要这个量，不适合做局部变量，所以就这样定义了。
对于这种情况，要想不对这种成员变量赋值，在KVC时又可以这样改进一下，通过ivarList获取，去掉propertyList中没有的成员变量，这样就过滤掉了上面的那种成员变量了。

3_1_1.应用1:KVC字典转模型

获取属性\成员列表一个重要的应用就是，一次取出模型中的属性\成员变量，根据它的名字获取字典中的key然后取出字典中这个key对应的value，使用setValue: forKeyPath:方法设置值。为什么要这样，而不再使用方法setValuesForKeysWithDictionary:。因为在setValuesForKeysWithDictionary:方法内部会执行这样一个过程
遍历字典里面的所有key,一个一个取出来,遍历每个key按照以下过程
1.取出key,
2.取出key的value，即dict[key]，直接给模型的属性\成员变量赋值
3.怎么给模型的属性赋值，使用方法setValue:value forKeyPath:key进行赋值，这个方法的执行过程在前面已经提到。
因此，开发中经常遇到的字典中的key比模型中多时，会出现的 this class is not key-value compliant for ‘xxx’这个bug就很好解释了，通常是因为字典中的key，比模型中的属性\成员变量多。那么当模型中的属性比字典中多时，使用setValuesForKeysWithDictionary:会不不会有bug呢？经测试：当多出来的属性是对象数据类型时，为null，当属性是基本数据类型时，会有一个系统默认值(如int为0)。
因此使用逐一为属性赋值的方法进行KVC：

Class clazz = Person.class;

unsigned int count = ;

Person *person = [[Person alloc]init];

NSDictionary *dict = @{@"name":@"zhangsan",@"age":@, @"height": @1.75};

Ivar *ivars = class_copyIvarList(clazz, &count);

// NSLog(@"%tu", count); //

for (int i = ; i < count; i++) {

const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);

NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];

NSString *key = [name substringFromIndex:]; // 去掉'_'

[person setValue:dict[key] forKey:key];

}

NSLog(@"%@", person); // 已经重写了description方法 输出是：

<Person, 0x7ff15b80f230>{ name = zhangsan, height = 1.750000, age = }

使用这种方式进行kvc，即使字典中的key多的时候也不会有bug，但是新的问题出现了，如果模型中的属性比字典中的key多便会出现bug而且：如果多的是对象类型不会有bug，该属性的值为null，如果是基本数据类型就会出错could not set nil as the value for the key ‘xxx’。例如，将上面的字典改为：
NSDictionary *dict = @{@"age":@19, @"height": @1.75}; // 去掉了name NSString类型修改之后输出为:
<Person, 0x7f996263fbd0>{ name = (null), height = 1.750000, age = 19} 如果将字典改为：
NSDictionary *dict = @{@"name":@"zhangsan",@"age":@19}; // 去掉了height float类型程序直接崩溃。
如何解决上面的bug：可以在setValue:value forKeyPath:key方法调用之前进行如下处理：取出属性对应的类型，如果类型是基本数据类型，value替换为默认值(如int对应默认值为0)。
runtime提供的ivar_getTypeEncoding函数可以获取到属性的类型,返回值代表的含义如下：

height是float类型对应的TypeCode是"f"因此可以进行过滤一下，代码改动如下：

Class clazz = Person.class;

unsigned int count = ;

Person *person = [[Person alloc]init];

NSDictionary *dict = @{@"name":@"zhangsan",@"age":@, @"height": @1.75};

Ivar *ivars = class_copyIvarList(clazz, &count);

for (int i = ; i < count; i++) {

const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);

NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];

NSString *key = [name substringFromIndex:];

const char *coding = ivar_getTypeEncoding(ivars[i]); // 获取类型

NSString *strCode = [NSString stringWithUTF8String:coding];

id value = dict[key];

if ([strCode isEqualToString:@"f"]) {// 判断类型是否是float

value = @(0.0);

}

[person setValue:value forKey:key];

}

NSLog(@"%@", person); 这样就可以正常执行了，输出为：

<Person, 0x7fc75d004a00>{ name = zhangsan, height = 0.000000, age = }

3_1_2.应用2:NSCoding归档和解档

获取属性\成员列表另外一个重要的应用就是进行归档和解档，其原理和上面的kvc基本上一样，这里只是展示一些代码：

- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder {

unsigned int count = ;

Ivar *ivars = class_copyIvarList(self.class, &count);

for (int i = ; i < count; i++) {

const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);

NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];

NSString *key = [name substringFromIndex:];

id value = [self valueForKey:key]; // 取出key对应的value

[aCoder encodeObject:value forKey:key]; // 编码

}

}

- (id)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder {

if (self = [super init]) {

unsigned int count = ;

Ivar *ivars = class_copyIvarList(self.class, &count);

for (int i = ; i < count; i++) {

const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);

NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];

NSString *key = [name substringFromIndex:];

id value = [aDecoder decodeObjectForKey:key]; // 解码

[self setValue:value forKey:key]; // 设置key对应的value

}

}

return self;

}

3_2.交换方法实现

交换方法实现的需求场景：自己创建了一个功能性的方法，在项目中多次被引用，当项目的需求发生改变时，要使用另一种功能代替这个功能，要求是不改变旧的项目(也就是不改变原来方法的实现)。
可以在类的分类中，再写一个新的方法(是符合新的需求的),然后交换两个方法的实现。这样，在不改变项目的代码，而只是增加了新的代码的情况下，就完成了项目的改进。
交换两个方法的实现一般写在类的load方法里面，因为load方法会在程序运行前加载一次，而initialize方法会在类或者子类在第一次使用的时候调用，当有分类的时候会调用多次。

// 程序一运行的时候调用

+ (void)load

{

// 如果是类方法，使用的是class_getClassMethod，如果是对象方法使用的是class_getInstanceMethod

Method methodOne = class_getInstanceMethod(self, @selector(methodOne:));

Method methodTwo = class_getInstanceMethod(self, @selector(methodTwo:));

// 交换两个方法的实现

method_exchangeImplementations(methodOne, methodTwo);

}

注意的是
1.可以交换的两个方法的参数必须是匹配的，参数的类型一致。
2.如果在方法one的内部想要调用方法two，此时在方法one的内部应该用one调用，而实际上是在调用two，否则会造成死循环。
例如：

// 交换前

- (NSString *) methodOne:(NSString *)str{

    NSLog(@"%@", [self methodTwo:str]);

    return "suc";

}

// 交换后 在方法的实现中，要注意将调用two的地方，换成自己的名字

- (NSString *) methodOne:(NSString *)str{

    NSLog(@"%@", [self methodOne:str]);

    return "suc";

}

任何一个方法都有两个重要的属性：SEL是方法的编号 ,IMP是方法的实现，方法的调用过程实际上去根据SEL去寻找IMP。
在这个例子中，假设在交换之前SEL为methodOne:的方法指向着IMP1，SEL为methodTwo的方法指向着IMP2。
交换实现实际上是在底层是交换了方法编号的指向，也就是让methodOne:指向了IMP2，methodTwo指向了IMP1。
应用场景

3_3.类\对象的关联对象

关联对象不是为类\对象添加属性或者成员变量(因为在设置关联后也无法通过ivarList或者propertyList取得)，而是为类添加一个相关的对象，通常用于存储类信息，例如存储类的属性列表数组，为将来字典转模型的方便。例如，将属性的名称存到数组中设置关联

const char* propertiesKey = "propertiesKey";

unsigned int count = ;

Ivar *ivars = class_copyIvarList([Person class], &count);

NSMutableArray *arrayM = [NSMutableArray arrayWithCapacity:count];

for (unsigned int i = ; i < count; ++i) {

    Ivar pty = ivars[i];

    const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);

    NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];

    NSString *key = [name substringFromIndex:]; // 去掉_

    [arrayM addObject:key];

}

free(ivars);

objc_setAssociatedObject(self, propertiesKey, arrayM, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);

NSLog(@"%@", arrayM); 输出是

(

    age,

    height,

    name

)objc_setAssociatedObject

方法的参数解释: 第一个参数id object, 当前对象 第二个参数const void *key, 关联的key，是c字符串 第三个参数id value, 被关联的对象 第四个参数objc_AssociationPolicy policy关联引用的规则，取值有以下几种：

enum {

    OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN = ,

    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC = ,

    OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC = ,

    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN = ,

    OBJC_ASSOCIATION_COPY =

};

如果想要获取已经关联的对象，通过key取得即可

NSArray *pList = objc_getAssociatedObject(Person, propertiesKey); 可以将以上两种操作封装起来,为Person类增加一个properties类方法,封装上面的操作，用于方便获取类的属性列表。

const char* propertiesKey = "propertiesKey";

@implementation Person

+ (NSArray *)properties {

    NSArray *pList = objc_getAssociatedObject(self, propertiesKey);

    if (pList != nil) {

        return pList;

    }

    unsigned int count = ;

    Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &count);

    NSMutableArray *arrayM = [NSMutableArray arrayWithCapacity:count];

    for (unsigned int i = ; i < count; ++i) {

        Ivar pty = ivars[i];

        const char *cname = ivar_getName(ivars[i]);

        NSString *name = [NSString stringWithUTF8String:cname];

        NSString *key = [name substringFromIndex:];

        [arrayM addObject:key];

    }

    free(ivars);

    objc_setAssociatedObject(self, propertiesKey, arrayM,                          OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);

    return arrayM.copy;

}

@end

3_4.动态添加方法，拦截未实现的方法

每个类都有都有一下两个类方法(来自NSObject)
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
以上两个一个使用于类方法，一个适用于对象方法。在代码中调用没有实现的方法时，也就是sel标识的方法没有实现都会现调用这两个方法中的一个(如果是类方法就调用第一个，如果是对象方法就调用第二个)拦截。通常的做法是在resolve的内部指定sel对应的IMP，从而完成方法的动态创建和调用两个过程，也可以不指定IMP打印错误信息后直接返回。
假如在Person类中没有-sayHi这个方法，如果对象p使用[p performSelector:@selector(sayHi) withObject:nil];那么就会必须经过Person类的resolveInstanceMethod:(SEL)sel方法，在这里为-sayHi指定实现。

void abc(id self, SEL _cmd){

    NSLog(@"%@说了hello", [self name]);

}

@implementation Person

//动态添加方法：在resolve中添加相应的方法，注意是类方法还是对象方法。

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel

{

    if ([NSStringFromSelector(sel) isEqualToString:@"sayHi"]) {

        class_addMethod(self, sel, abc, "v@:"); // 为sel指定实现为abc

    }

    return YES;

}

@end

对实现(abc)的前两个参数的说明
　　每个方法的内部都默认包含两个参数，被称为隐式参数
　　id类型self(代表类或对象)和SEL类型的_cmd(方法编号)
　　class_addMethod函数参数的含义:
　　第一个参数Class cls, 类型
　　第二个参数SEL name, 被解析的方法
　　第三个参数 IMP imp, 指定的实现
　　第四个参数const char *types,方法的类型，具体参照类型的codeType那张图，但是要注意一点：Since the function must take at least two arguments—self and _cmd, the second and third characters must be “@:” (the first character is the return type).译为：因为函数必须至少有两个参数self和_cmd,第二个和第三个字符必须是“@:”。如果想要再增加参数，就可以从实现的第三个参数算起，看下面的例子就明白。
返回值：YES if the method was found and added to the receiver, otherwise NO.
为-sayHi方法的实现增加参数
　　调用时：

Person *p = [[Person alloc] init];

p.name = @"zhangsan";

p.age = ;

[p performSelector:@selector(sayHi:) withObject:@"world"]; // 增加了一个参数，多了冒号 对Person类中的代码做了修改

void abc(id self, SEL _cmd, NSString *content){ // 增加了一个参数content

    NSLog(@"%@说了hello%@", [self name], content);

}

@implementation Person

//动态添加方法：在resolve中添加相应的方法，注意是类方法还是对象方法。

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel

{

    if ([NSStringFromSelector(sel) isEqualToString:@"sayHi:"]) {

        class_addMethod(self, sel, abc, "v@:@"); // 增加了一个对象类型参数 增加了@

    }

    return YES;

}

@end 
输出为:

zhangsan说了helloworld

3_5.动态创建一个类

动态创建一个类，为这个类添加成员变量和方法，并创建这个类型的对象:

#import "ViewController.h"

#import <objc/runtime.h>

#import <objc/message.h>

#import "Person.h"

static void printSchool(id self, SEL _cmd) {

    NSLog(@"我的学校是%@", [self valueForKey:@"schoolName"]);

}

@implementation ViewController

- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event {

    Class classStudent = objc_allocateClassPair(Person.class, "Student", );

    // 添加一个NSString的变量，第四个参数是对其方式，第五个参数是参数类型

    if (class_addIvar(classStudent, "schoolName", sizeof(NSString *), , "@")) {

        NSLog(@"添加成员变量schoolName成功");

    }

    // 为Student类添加方法 "v@:"这种写法见参数类型连接

    if (class_addMethod(classStudent, @selector(printSchool), (IMP)printSchool,     "v@:")) {

        NSLog(@"添加方法printSchool:成功");

    }

    // 注册这个类到runtime系统中就可以使用他了

    objc_registerClassPair(classStudent); // 返回void

    // 使用创建的类

    id student = [[classStudent alloc] init];

    NSString *schoolName = @"清华大学";

    // 给刚刚添加的变量赋值

    // object_setInstanceVariable(student, "schoolName", (void *)&str);在ARC下不允许使用

    [student setValue:schoolName forKey:@"schoolName"];

    // 调用printSchool方法，也就是给student这个接受者发送printSchool:这个消息

    // objc_msgSend(student, "printSchool"); // 我尝试用这种方法调用但是没有成功

    [student performSelector:@selector(printSchool) withObject:nil]; // 动态调用未显式在类中声明的方法

}

@end 输出的结果是:

添加成员变量schoolName成功

添加方法printSchool成功

我的学校是清华大学

码农公寓

1.Runtime简介

2.Runtime相关的头文件

3.技术点和应用场景

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