刨根问底Objective－C Runtime

2022-01-06 04:56:45

http://chun.tips/blog/2014/11/05/bao-gen-wen-di-objective%5Bnil%5Dc-runtime-(2)%5Bnil%5D-object-and-class-and-meta-class/

刨根问底Objective－C Runtime（1）－ Self & Super

刨根问底Objective－C Runtime（2）－ Object & Class & Meta Class

刨根问底Objective－C Runtime（3）－ 消息和Category

刨根问底Objective－C Runtime（4）- 成员变量与属性

刨根问底Objective－C Runtime（1）－ Self & Super

下面的代码输出什么？

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@implementation Son : Father
- (id)init
{
    self = [super init];
    if (self)
    {
        NSLog(@"%@", NSStringFromClass([self class]));
        NSLog(@"%@", NSStringFromClass([super class]));
    }
    return self;
}
@end

答案：都输出 Son

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2014-11-05 11:06:18.060 Test[8566:568584] NSStringFromClass([self class]) = Son
2014-11-05 11:06:18.061 Test[8566:568584] NSStringFromClass([super class]) = Son

解惑：这个题目主要是考察关于objc中对 self 和 super 的理解。

self 是类的隐藏参数，指向当前调用方法的这个类的实例。而 super 是一个 Magic Keyword， 它本质是一个编译器标示符，和 self 是指向的同一个消息接受者。上面的例子不管调用[self class]还是[super class]，接受消息的对象都是当前 Son ＊xxx 这个对象。而不同的是，super是告诉编译器，调用 class 这个方法时，要去父类的方法，而不是本类里的。

当使用 self 调用方法时，会从当前类的方法列表中开始找，如果没有，就从父类中再找；而当使用 super 时，则从父类的方法列表中开始找。然后调用父类的这个方法。

真的是这样吗？继续看：

使用clang重写命令:

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$ clang -rewrite-objc test.m

发现上述代码被转化为:

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NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_gm_0jk35cwn1d3326x0061qym280000gn_T_main_a5cecc_mi_0, NSStringFromClass(((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("class"))));
NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_gm_0jk35cwn1d3326x0061qym280000gn_T_main_a5cecc_mi_1, NSStringFromClass(((Class (*)(__rw_objc_super *, SEL))(void *)objc_msgSendSuper)((__rw_objc_super){ (id)self, (id)class_getSuperclass(objc_getClass("Son")) }, sel_registerName("class"))));

从上面的代码中，我们可以发现在调用 [self class] 时，会转化成 objc_msgSend函数。看下函数定义：

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id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)

我们把 self 做为第一个参数传递进去。

而在调用 [super class]时，会转化成 objc_msgSendSuper函数。看下函数定义:

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id objc_msgSendSuper(struct objc_super *super, SEL op, ...)

第一个参数是 objc_super 这样一个结构体，其定义如下:

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struct objc_super {
   __unsafe_unretained id receiver;
   __unsafe_unretained Class super_class;
};

结构体有两个成员，第一个成员是 receiver, 类似于上面的 objc_msgSend函数第一个参数self 。第二个成员是记录当前类的父类是什么。

所以，当调用 ［self class] 时，实际先调用的是 objc_msgSend函数，第一个参数是 Son当前的这个实例，然后在 Son 这个类里面去找 - (Class)class这个方法，没有，去父类 Father里找，也没有，最后在 NSObject类中发现这个方法。而 - (Class)class的实现就是返回self的类别，故上述输出结果为 Son。

objc Runtime开源代码对- (Class)class方法的实现:

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- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}

而当调用 [super class]时，会转换成objc_msgSendSuper函数。第一步先构造 objc_super 结构体，结构体第一个成员就是 self 。第二个成员是 (id)class_getSuperclass(objc_getClass(“Son”)) , 实际该函数输出结果为 Father。第二步是去 Father这个类里去找- (Class)class，没有，然后去NSObject类去找，找到了。最后内部是使用 objc_msgSend(objc_super->receiver, @selector(class))去调用，此时已经和[self class]调用相同了，故上述输出结果仍然返回 Son。

刨根问底Objective－C Runtime（2）－ Object & Class & Meta Clas

本篇笔记主要是讲述objc runtime中关于Object & Class & Meta Class的细节。

习题内容

下面代码的运行结果是?

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@interface Sark : NSObject
@end
@implementation Sark
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        BOOL res1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];
        BOOL res2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];
        BOOL res3 = [(id)[Sark class] isKindOfClass:[Sark class]];
        BOOL res4 = [(id)[Sark class] isMemberOfClass:[Sark class]];
        NSLog(@"%d %d %d %d", res1, res2, res3, res4);
    }
    return 0;
}

运行结果为：

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2014-11-05 14:45:08.474 Test[9412:721945] 1 0 0 0

这里先看几个概念

什么是 id

id 在 objc.h 中定义如下:

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

就像注释中所说的这样 id 是指向一个 objc_object 结构体的指针。

id 这个struct的定义本身就带了一个 *, 所以我们在使用其他NSObject类型的实例时需要在前面加上 *， 而使用 id 时却不用。

那么objc_object又是什么呢

objc_object 在 objc.h 中定义如下:

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/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class isa;
};

这个时候我们知道Objective-C中的object在最后会被转换成C的结构体，而在这个struct中有一个 isa 指针，指向它的类别 Class。

那么什么是Class呢

在 objc.h 中定义如下:

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

我们可以看到 Class本身指向的也是一个C的struct objc_class。

继续看在runtime.h中objc_class定义如下:

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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;

该结构体中，isa 指向所属Class， super_class指向父类别。

继续看

下载objc源代码，在 objc-runtime-new.h 中，我们发现 objc_class有如下定义:

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struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;   
    ...
    ...
}

豁然开朗，我们看到在Objective-C的设计哲学中，一切都是对象。Class在设计中本身也是一个对象。而这个Class对象的对应的类，我们叫它 Meta Class。即Class结构体中的 isa 指向的就是它的 Meta Class。

Meta Class

根据上面的描述，我们可以把Meta Class理解为 一个Class对象的Class。简单的说：

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当我们发送一个消息给一个NSObject对象时，这条消息会在对象的类的方法列表里查找
当我们发送一个消息给一个类时，这条消息会在类的Meta Class的方法列表里查找

而 Meta Class本身也是一个Class，它跟其他Class一样也有自己的 isa 和 super_class 指针。看下图：

刨根问底Objective－C Runtime

  • 每个Class都有一个isa指针指向一个唯一的Meta Class

  • 每一个Meta Class的isa指针都指向最上层的Meta Class（图中的NSObject的Meta Class）

  • 最上层的Meta Class的isa指针指向自己，形成一个回路

  • 每一个Meta Class的super class指针指向它原本Class的 Super Class的Meta Class。但是最上层的Meta Class的 Super Class指向NSObject Class本身

  • 最上层的NSObject Class的super class指向 nil

解惑

为了更加清楚的知道整个函数调用过程，我们使用clang -rewrite-objc main.m重写，可获得如下代码：

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BOOL res1 = ((BOOL (*)(id, SEL, Class))(void *)objc_msgSend)((id)((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class")), sel_registerName("isKindOfClass:"), ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class")));
BOOL res2 = ((BOOL (*)(id, SEL, Class))(void *)objc_msgSend)((id)((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class")), sel_registerName("isMemberOfClass:"), ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class")));
BOOL res3 = ((BOOL (*)(id, SEL, Class))(void *)objc_msgSend)((id)((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Sark"), sel_registerName("class")), sel_registerName("isMemberOfClass:"), ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class")));
BOOL res4 = ((BOOL (*)(id, SEL, Class))(void *)objc_msgSend)((id)((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Sark"), sel_registerName("class")), sel_registerName("isMemberOfClass:"), ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class")));

先看前两个调用：

  • 最外层是 objc_msgSend函数，转发消息。

  • 函数第一个参数是 (id)((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class"))

  • 函数第二个参数是转发的selector

  • 函数第三个参数是 ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class"))

我们注意到第一个参数和第三个参数对应重写的是[NSObject class]，即使用objc_msgSend向 NSObject Class 发送 @selector(class) 这个消息

打开objc源代码，在 Object.mm 中发现+ (Class)class实现如下:

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+ (Class)class {
    return self;
}

所以即返回Class类的对象本身。看如下输出:

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NSLog(@"%p", [NSObject class]);
NSLog(@"%p", [NSObject class]);
2014-11-05 18:48:30.939 Test[11682:865988] 0x7fff768d40f0
2014-11-05 18:48:30.940 Test[11682:865988] 0x7fff768d40f0

继续打开objc源代码，在 Object.mm 中，我们发现 isKindOfClass的实现如下:

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- (BOOL)isKindOf:aClass
{
    Class cls;
    for (cls = isa; cls; cls = cls->superclass) 
        if (cls == (Class)aClass)
            return YES;
    return NO;
}

对着上面Meta Class的图和实现，我们可以看出

  • 当 NSObject Class对象第一次进行比较时，得到它的isa为 NSObject的Meta Class， 这个时候 NSObject Meta Class 和 NSObject Class不相等。

  • 然后取NSObject 的Meta Class 的Super class，这个时候又变成了 NSObject Class， 所以返回相等。

所以上述第一个输出结果是 YES 。

我们在看下 ‘isMemberOfClass’的实现:

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- (BOOL)isMemberOf:aClass
{
    return isa == (Class)aClass;
}

综上所述，当前的 isa 指向 NSObject 的 Meta Class， 所以和 NSObject Class不相等。

所以上述第二个输出结果为 NO 。

继续看后面两个调用:

  • Sark Class 的isa指向的是 Sark的Meta Class，和Sark Class不相等

  • Sark Meta Class的super class 指向的是 NSObject Meta Class， 和 Sark Class不相等

  • NSObject Meta Class的 super class 指向 NSObject Class，和 Sark Class 不相等

  • NSObject Class 的super class 指向 nil， 和 Sark Class不相等

所以后面两个调用的结果都输出为 NO 。

刨根问底Objective－C Runtime（3）－ 消息 和 Category

本篇笔记主要是讲述objc runtime的 消息和Category。

习题内容

下面的代码会？Compile Error / Runtime Crash / NSLog…?

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@interface NSObject (Sark)
+ (void)foo;
@end
@implementation NSObject (Sark)
- (void)foo
{
    NSLog(@"IMP: -[NSObject(Sark) foo]");
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        [NSObject foo];
        [[NSObject new] foo];
    }
    return 0;
}

答案：代码正常输出，输出结果如下：

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2014-11-06 13:11:46.694 Test[14872:1110786] IMP: -[NSObject(Sark) foo]
2014-11-06 13:11:46.695 Test[14872:1110786] IMP: -[NSObject(Sark) foo]

使用clang -rewrite-objc main.m重写，我们可以发现 main 函数中两个方法调用被转换成如下代码：

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 ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("foo"));
 ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((NSObject *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("new")), sel_registerName("foo"));

我们发现上述两个方法最终转换成使用 objc_msgSend 函数传递消息。

这里先看几个概念

objc_msgSend函数定义如下:

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id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)

关于 id 的解释请看objc runtime系列第二篇博文： objc runtime中Object & Class & Meta Class的细节

什么是 SEL

打开objc.h文件，看下SEL的定义如下:

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typedef struct objc_selector *SEL;

SEL是一个指向objc_selector结构体的指针。而 objc_selector 的定义并没有在runtime.h中给出定义。我们可以尝试运行如下代码:

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SEL sel = @selector(foo);
NSLog(@"%s", (char *)sel);
NSLog(@"%p", sel);
const char *selName = [@"foo" UTF8String];
SEL sel2 = sel_registerName(selName);
NSLog(@"%s", (char *)sel2);
NSLog(@"%p", sel2);

输出如下:

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2014-11-06 13:46:08.058 Test[15053:1132268] foo
2014-11-06 13:46:08.058 Test[15053:1132268] 0x7fff8fde5114
2014-11-06 13:46:08.058 Test[15053:1132268] foo
2014-11-06 13:46:08.058 Test[15053:1132268] 0x7fff8fde5114

Objective-C在编译时，会根据方法的名字生成一个用来区分这个方法的唯一的一个ID。只要方法名称相同，那么它们的ID就是相同的。

两个类之间，不管它们是父类与子类的关系，还是之间没有这种关系，只要方法名相同，那么它的SEL就是一样的。每一个方法都对应着一个SEL。编译器会根据每个方法的方法名为那个方法生成唯一的SEL。这些SEL组成了一个Set集合，当我们在这个集合中查找某个方法时，只需要去找这个方法对应的SEL即可。而SEL本质是一个字符串，所以直接比较它们的地址即可。

当然，不同的类可以拥有相同的selector。不同类的实例对象执行相同的selector时，会在各自的方法列表中去根据selector去寻找自己对应的IMP。

那么什么是IMP呢

继续看定义:

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typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);

IMP本质就是一个函数指针，这个被指向的函数包含一个接收消息的对象id，调用方法的SEL，以及一些方法参数，并返回一个id。因此我们可以通过SEL获得它所对应的IMP，在取得了函数指针之后，也就意味着我们取得了需要执行方法的代码入口，这样我们就可以像普通的C语言函数调用一样使用这个函数指针。

那么 objc_msgSend 到底是怎么工作的呢？

在Objective-C中，消息直到运行时才会绑定到方法的实现上。编译器会把代码中[target doSth]转换成 objc_msgSend消息函数，这个函数完成了动态绑定的所有事情。它的运行流程如下:

  1. 检查selector是否需要忽略。(ps: Mac开发中开启GC就会忽略retain,release方法。)

  2. 检查target是否为nil。如果为nil，直接cleanup，然后return。(这就是我们可以向nil发送消息的原因。)

  3. 然后在target的Class中根据Selector去找IMP

寻找IMP的过程:

  1. 先从当前class的cache方法列表（cache methodLists）里去找

  2. 找到了，跳到对应函数实现

  3. 没找到，就从class的方法列表（methodLists）里找

  4. 还找不到，就到super class的方法列表里找，直到找到基类(NSObject)为止

  5. 最后再找不到，就会进入动态方法解析和消息转发的机制。(这部分知识，下次再细谈)

那么什么是方法列表呢？

上一篇博文中提到了objc_class结构体定义，如下：

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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;
struct objc_method_list {
    struct objc_method_list *obsolete                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    int method_count                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_method method_list[1]                        OBJC2_UNAVAILABLE;
}

1) objc_method_list 就是用来存储当前类的方法链表，objc_method存储了类的某个方法的信息。

Method

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typedef struct objc_method *Method;

Method 是用来代表类中某个方法的类型，它实际就指向objc_method结构体，如下:

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struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

method_types是个char指针，存储着方法的参数类型和返回值类型。

SEL 和 IMP 就是我们上文提到的，所以我们可以理解为objc_class中 method list保存了一组SEL<->IMP的映射。

2）objc_cache 用来缓存用过的方法，提高性能。

Cache

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typedef struct objc_cache *Cache                             OBJC2_UNAVAILABLE;

实际指向objc_cache结构体，如下:

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struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    unsigned int occupied                                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    Method buckets[1]                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
};

  • mask: 指定分配cache buckets的总数。在方法查找中，Runtime使用这个字段确定数组的索引位置

  • occupied: 实际占用cache buckets的总数

  • buckets: 指定Method数据结构指针的数组。这个数组可能包含不超过mask+1个元素。需要注意的是，指针可能是NULL，表示这个缓存bucket没有被占用，另外被占用的bucket可能是不连续的。这个数组可能会随着时间而增长。

objc_msgSend每调用一次方法后，就会把该方法缓存到cache列表中，下次的时候，就直接优先从cache列表中寻找，如果cache没有，才从methodLists中查找方法。

说完了 objc_msgSend， 那么题目中的Category又是怎么工作的呢?

继续看概念

我们知道Catagory可以动态地为已经存在的类添加新的方法。这样可以保证类的原始设计规模较小，功能增加时再逐步扩展。在runtime.h中查看定义:

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typedef struct objc_category *Category;

同样也是指向一个 objc_category 的C 结构体，定义如下:

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struct objc_category {
    char *category_name                                      OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *class_name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list *instance_methods                OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list *class_methods                   OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

通过上面的结构体，大家可以很清楚的看出存储的内容。我们继续往下看，打开objc源代码，在 objc-runtime-new.h中我们可以发现如下定义:

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struct category_t {
    const char *name;
    classref_t cls;
    struct method_list_t *instanceMethods;
    struct method_list_t *classMethods;
    struct protocol_list_t *protocols;
    struct property_list_t *instanceProperties;
};

上面的定义需要提到的地方有三点:

  1. name 是指 class_name 而不是 category_name

  2. cls是要扩展的类对象，编译期间是不会定义的，而是在Runtime阶段通过name对应到对应的类对象

  3. instanceProperties表示Category里所有的properties，这就是我们可以通过objc_setAssociatedObject和objc_getAssociatedObject增加实例变量的原因，不过这个和一般的实例变量是不一样的

为了验证上述内容，我们使用clang -rewrite-objc main.m重写，题目中的Category被编译器转换成了这样:

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// @interface NSObject (Sark)
// + (void)foo;
/* @end */
// @implementation NSObject (Sark)
static void _I_NSObject_Sark_foo(NSObject * self, SEL _cmd) {
    NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_gm_0jk35cwn1d3326x0061qym280000gn_T_main_dd1ee3_mi_0);
}
// @end
static struct _category_t _OBJC_$_CATEGORY_NSObject_$_Sark __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = 
{
    "NSObject",
    0, // &OBJC_CLASS_$_NSObject,
    (const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_NSObject_$_Sark,
    0,
    0,
    0,
};
static struct _category_t *L_OBJC_LABEL_CATEGORY_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_catlist,regular,no_dead_strip")))= {
    &_OBJC_$_CATEGORY_NSObject_$_Sark,
};

  • _OBJC_$_CATEGORY_NSObject_$_Sark是按规则生成的字符串，我们可以清楚的看到是NSObject类,且Sark是NSObject类的Category

  • _category_t结构体第二项 classref_t 没有数据，验证了我们上面的说法

  • 由于题目中只有 - (void)foo方法，所以结构体中存储的list只有第三项instanceMethods被填充。

  • _I_NSObject_Sark_foo代表了Category的foo方法，I表示实例方法

  • 最后这个类的Category生成了一个数组，存在了__objc_catlist里，目前数组的内容只有一个&_OBJC_$_CATEGORY_NSObject_$_Sark

最终这些Category里面的方法是如何被加载的呢?

1.打开objc源代码，找到 objc-os.mm, 函数_objc_init为runtime的加载入口，由libSystem调用，进行初始化操作。

2.之后调用objc-runtime-new.mm -> map_images加载map到内存

3.之后调用objc-runtime-new.mm->_read_images初始化内存中的map, 这个时候将会load所有的类，协议还有Category。NSOBject的+load方法就是这个时候调用的

这里贴上Category被加载的代码：

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// Discover categories. 
for (EACH_HEADER) {
    category_t **catlist = 
        _getObjc2CategoryList(hi, &count);
    for (i = 0; i < count; i++) {
        category_t *cat = catlist[i];
        Class cls = remapClass(cat->cls);
        if (!cls) {
            // Category's target class is missing (probably weak-linked).
            // Disavow any knowledge of this category.
            catlist[i] = nil;
            if (PrintConnecting) {
                _objc_inform("CLASS: IGNORING category \?\?\?(%s) %p with "
                             "missing weak-linked target class", 
                             cat->name, cat);
            }
            continue;
        }
        // Process this category. 
        // First, register the category with its target class. 
        // Then, rebuild the class's method lists (etc) if 
        // the class is realized. 
        BOOL classExists = NO;
        if (cat->instanceMethods ||  cat->protocols  
            ||  cat->instanceProperties) 
        {
            addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);
            if (cls->isRealized()) {
                remethodizeClass(cls);
                classExists = YES;
            }
            if (PrintConnecting) {
                _objc_inform("CLASS: found category -%s(%s) %s", 
                             cls->nameForLogging(), cat->name, 
                             classExists ? "on existing class" : "");
            }
        }
        if (cat->classMethods  ||  cat->protocols  
            /* ||  cat->classProperties */) 
        {
            addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi);
            if (cls->ISA()->isRealized()) {
                remethodizeClass(cls->ISA());
            }
            if (PrintConnecting) {
                _objc_inform("CLASS: found category +%s(%s)", 
                             cls->nameForLogging(), cat->name);
            }
        }
    }
}

1) 循环调用了 _getObjc2CategoryList方法，这个方法的实现是:

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GETSECT(_getObjc2CategoryList,        category_t *,    "__objc_catlist");

方法中最后一个参数__objc_catlist就是编译器刚刚生成的category数组

2) load完所有的categories之后，开始对Category进行处理。

从上面的代码中我们可以发现：实例方法被加入到了当前的类对象中, 类方法被加入到了当前类的Meta Class中 (cls->ISA)

Step 1. 调用addUnattachedCategoryForClass方法

Step 2. 调用remethodizeClass方法, 在remethodizeClass的实现里调用attachCategoryMethods

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static void 
attachCategoryMethods(Class cls, category_list *cats, bool flushCaches)
{
    if (!cats) return;
    if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats);
    bool isMeta = cls->isMetaClass();
    method_list_t **mlists = (method_list_t **)
        _malloc_internal(cats->count * sizeof(*mlists));
    // Count backwards through cats to get newest categories first
    int mcount = 0;
    int i = cats->count;
    BOOL fromBundle = NO;
    while (i--) {
        method_list_t *mlist = cat_method_list(cats->list[i].cat, isMeta);
        if (mlist) {
            mlists[mcount++] = mlist;
            fromBundle |= cats->list[i].fromBundle;
        }
    }
    attachMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle, flushCaches);
    _free_internal(mlists);
}

这里把一个类的category_list的所有方法取出来生成了method list。这里是倒序添加的，也就是说，新生成的category的方法会先于旧的category的方法插入。

之后调用attachMethodLists将所有方法前序添加进类的method list中，如果原来类的方法列表是a，b，Category的方法列表是c，d。那么插入之后的方法列表将会是c，d，a，b。

小发现

看上面被编译器转换的代码，我们发现Category头文件被注释掉了，结合上面category的加载过程。这就是我们即使没有import category的头文件，都能够成功调用到Category方法的原因。

runtime加载完成后，Category的原始信息在类结构中将不会存在。

解惑

根据上面提到的知识，我们对题目中的代码进行分析。

1) objc runtime加载完后，NSObject的Sark Category被加载。而NSObject的Sark Category的头文件 + (void)foo 并没有实质参与到工作中，只是给编译器进行静态检查，所有我们编译上述代码会出现警告，提示我们没有实现 + (void)foo 方法。而在代码编译中，它已经被注释掉了。

2) 实际被加入到Class的method list的方法是 - (void)foo，它是一个实例方法，所以加入到当前类对象NSObject的方法列表中，而不是NSObject Meta class的方法列表中。

3) 当执行 [NSObject foo]时，我们看下整个objc_msgSend的过程:

结合上一篇Meta Class的知识：

  • objc_msgSend 第一个参数是  “(id)objc_getClass("NSObject")”，获得NSObject Class的对象。

  • 类方法在Meta Class的方法列表中找，我们在load Category方法时加入的是- (void)foo实例方法，所以并不在NSOBject Meta Class的方法列表中

  • 继续往 super class中找，在上一篇博客中我们知道，NSObject Meta Class的super class是NSObject本身。所以，这个时候我们能够找到- (void)foo 这个方法。

  • 所以正常输出结果

4) 当执行[[NSObject new] foo]，我们看下整个objc_msgSend的过程:

  • [NSObject new]生成一个NSObject对象。

  • 直接在该对象的类（NSObject）的方法列表里找。

  • 能够找到，所以正常输出结果。

刨根问底Objective－C Runtime（4）－ 成员变量与属性

本篇笔记主要是讲述objc runtime的 成员变量和属性。

习题内容

下面代码会? Compile Error / Runtime Crash / NSLog…?

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@interface Sark : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end
@implementation Sark
- (void)speak
{
    NSLog(@"my name is %@", self.name);
}
@end
@interface Test : NSObject
@end
@implementation Test
- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        id cls = [Sark class];
        void *obj = &cls;
        [(__bridge id)obj speak];
    }
    return self;
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        [[Test alloc] init];
    }
    return 0;
}

答案：代码正常输出，输出结果为：

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2014-11-07 14:08:25.698 Test[1097:57255] my name is

为什么呢?

前几节博文中多次讲到了objc_class结构体，今天我们再拿出来看一下：

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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;

其中objc_ivar_list结构体存储着objc_ivar数组列表，而objc_ivar结构体存储了类的单个成员变量的信息。

那么什么是Ivar呢？

Ivar 在objc中被定义为：

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typedef struct objc_ivar *Ivar;

它是一个指向objc_ivar结构体的指针，结构体有如下定义：

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struct objc_ivar {
    char *ivar_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *ivar_type                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    int ivar_offset                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

这里我们注意第三个成员 ivar_offset。它表示基地址偏移字节。

在编译我们的类时，编译器生成了一个 ivar布局，显示了在类中从哪可以访问我们的 ivars 。看下图:

刨根问底Objective－C Runtime

上图中，左侧的数据就是地址偏移字节，我们对 ivar 的访问就可以通过 对象地址 ＋ ivar偏移字节的方法。但是这又引发一个问题，看下图:

刨根问底Objective－C Runtime

我们增加了父类的ivar，这个时候布局就出错了，我们就不得不重新编译子类来恢复兼容性。

而Objective－C Runtime中使用了Non Fragile ivars，看下图:

刨根问底Objective－C Runtime

使用Non Fragile ivars时，Runtime会进行检测来调整类中新增的ivar的偏移量。 这样我们就可以通过 对象地址 ＋ 基类大小 + ivar偏移字节的方法来计算出ivar相应的地址，并访问到相应的ivar。

我们来看一个例子:

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@interface Student : NSObject
{
    @private
    NSInteger age;
}
@end
@implementation Student
- (NSString *)description
{
    return [NSString stringWithFormat:@"age = %d", age];
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Student *student = [[Student alloc] init];
        student->age = 24;
    }
    return 0;
}

上述代码，Student有两个被标记为private的ivar，这个时候当我们使用 -> 访问时，编译器会报错。那么我们如何设置一个被标记为private的ivar的值呢?

通过上面的描述，我们知道ivar是通过计算字节偏量来确定地址，并访问的。我们可以改成这样:

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@interface Student : NSObject
{
    @private
    int age;
}
@end
@implementation Student
- (NSString *)description
{
    NSLog(@"current pointer = %p", self);
    NSLog(@"age pointer = %p", &age);
    return [NSString stringWithFormat:@"age = %d", age];
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Student *student = [[Student alloc] init];
        Ivar age_ivar = class_getInstanceVariable(object_getClass(student), "age");
        int *age_pointer = (int *)((__bridge void *)(student) + ivar_getOffset(age_ivar));
        NSLog(@"age ivar offset = %td", ivar_getOffset(age_ivar));
        *age_pointer = 10;
        NSLog(@"%@", student);
    }
    return 0;
}

上述代码的输出结果为:

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2014-11-08 18:24:38.892 Test[4143:466864] age ivar offset = 8
2014-11-08 18:24:38.893 Test[4143:466864] current pointer = 0x1001002d0
2014-11-08 18:24:38.893 Test[4143:466864] age pointer = 0x1001002d8
2014-11-08 18:24:38.894 Test[4143:466864] age = 10

我们可以清晰的看到指针地址的变化和偏移量，和我们上述描述一致。

说完了Ivar， 那Property又是怎么样的呢？

使用clang -rewrite-objc main.m重写题目中的代码，我们发现Sark类中的name属性被转换成了如下代码:

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struct Sark_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_name;
};
// @property (nonatomic, copy) NSString *name;
/* @end */
// @implementation Sark
static NSString * _I_Sark_name(Sark * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_Sark$_name)); }
static void _I_Sark_setName_(Sark * self, SEL _cmd, NSString *name) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct Sark, _name), (id)name, 0, 1); }

类中的Property属性被编译器转换成了Ivar，并且自动添加了我们熟悉的Set和Get方法。

我们这个时候回头看一下objc_class结构体中的内容，并没有发现用来专门记录Property的list。我们翻开objc源代码，在objc-runtime-new.h中，发现最终还是会通过在class_ro_t结构体中使用property_list_t存储对应的propertyies。

而在刚刚重写的代码中，我们可以找到这个property_list_t:

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static struct /*_prop_list_t*/ {
    unsigned int entsize;  // sizeof(struct _prop_t)
    unsigned int count_of_properties;
    struct _prop_t prop_list[1];
    } _OBJC_$_PROP_LIST_Sark __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
        sizeof(_prop_t),
        1,
        name
};
static struct _class_ro_t _OBJC_CLASS_RO_$_Sark __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
    0, __OFFSETOFIVAR__(struct Sark, _name), sizeof(struct Sark_IMPL), 
    (unsigned int)0, 
    0, 
    "Sark",
    (const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_INSTANCE_METHODS_Sark,
    0, 
    (const struct _ivar_list_t *)&_OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_Sark,
    0, 
    (const struct _prop_list_t *)&_OBJC_$_PROP_LIST_Sark,
};

解惑

1）为什么能够正常运行，并调用到speak方法？

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id cls = [Sark class];
void *obj = &cls;
[(__bridge id)obj speak];

obj被转换成了一个指向Sark Class的指针，然后使用id转换成了objc_object类型。这个时候的obj已经相当于一个Sark的实例对象(但是和使用[Sark new]生成的对象还是不一样的)，我们回想下Runtime的第二篇博文中objc_object结构体的构成就是一个指向Class的isa指针。

这个时候我们再回想下上一篇博文中objc_msgSend的工作流程，在代码中的obj指向的Sark Class中能够找到speak方法，所以代码能够正常运行。

2) 为什么self.name的输出为?

我们在测试代码中加入一些调试代码和Log如下:

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- (void)speak
{ 
    unsigned int numberOfIvars = 0;
    Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &numberOfIvars);
    for(const Ivar *p = ivars; p < ivars+numberOfIvars; p++) {
        Ivar const ivar = *p;
        ptrdiff_t offset = ivar_getOffset(ivar);
        const char *name = ivar_getName(ivar);
        NSLog(@"Sark ivar name = %s, offset = %td", name, offset);
    }
    NSLog(@"my name is %p", &_name);
    NSLog(@"my name is %@", *(&_name));
}
@implementation Test
- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        NSLog(@"Test instance = %@", self);
        void *self2 = (__bridge void *)self;
        NSLog(@"Test instance pointer = %p", &self2);
        id cls = [Sark class];
        NSLog(@"Class instance address = %p", cls);
        void *obj = &cls;
        NSLog(@"Void *obj = %@", obj);
        [(__bridge id)obj speak];
    }
    return self;
}
@end

输出结果如下:

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2014-11-11 00:56:02.464 Test[10475:1071029] Test instance = 2014-11-11 00:56:02.464 Test[10475:1071029] Test instance pointer = 0x7fff5fbff7c8
2014-11-11 00:56:02.465 Test[10475:1071029] Class instance address = 0x1000023c8
2014-11-11 00:56:02.465 Test[10475:1071029] Void *obj = 2014-11-11 00:56:02.465 Test[10475:1071029] Sark ivar name = _name, offset = 8
2014-11-11 00:56:02.465 Test[10475:1071029] my name is 0x7fff5fbff7c8
2014-11-11 00:56:02.465 Test[10475:1071029] my name is

Sark中Propertyname最终被转换成了Ivar加入到了类的结构中，Runtime通过计算成员变量的地址偏移来寻找最终Ivar的地址，我们通过上述输出结果，可以看到 Sark的对象指针地址加上Ivar的偏移量之后刚好指向的是Test对象指针地址。

这里的原因主要是因为在C中，局部变量是存储到内存的栈区，程序运行时栈的生长规律是从地址高到地址低。C语言到头来讲是一个顺序运行的语言，随着程序运行，栈中的地址依次往下走。

看下图，可以清楚的展示整个计算的过程：

刨根问底Objective－C Runtime

我们可以做一个另外的实验，把Test Class 的init方法改为如下代码：

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@interface Father : NSObject
@end
@implementation Father
@end
@implementation Test
- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        NSLog(@"Test instance = %@", self);
        id fatherCls = [Father class];
        void *father;
        father = (void *)&fatherCls;
        id cls = [Sark class];
        void *obj;
        obj = (void *)&cls;
        [(__bridge id)obj speak];
    }
    return self;
}
@end

你会发现这个时候的输出变成了:

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2014-11-08 21:40:36.724 Test[4845:543231] Test instance = 2014-11-08 21:40:36.725 Test[4845:543231] ivar name = _name, offset = 8
2014-11-08 21:40:36.726 Test[4845:543231] Sark instance = 0x7fff5fbff7b8
2014-11-08 21:40:36.726 Test[4845:543231] my name is 0x7fff5fbff7c0
2014-11-08 21:40:36.726 Test[4845:543231] my name is

关于C语言内存分配和使用的问题可参考这篇文章 http://www.th7.cn/Program/c/201212/114923.shtml。
（via：Chun Tips）

上一篇：Objective C运行时（runtime）


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