iOS 开发：「Runtime」详解（一）基础知识
Runtime 系列第一篇，讲解 Objective-C 消息发送机制、objc_msgSend、Class/Object/Meta Class/Method 等概念及消息转发流程。
本文用来介绍 iOS 开发中「Runtime」相关的基础知识。通过本文，您将了解到：
- 什么是 Runtime？
- 消息机制的基本原理
- Runtime 中的概念解析（objc_msgSend 、Class、Object、Meta Class、Method）
- Runtime 消息转发
- 消息发送以及转发机制总结
1. 什么是 Runtime？
我们都知道，将源代码转换为可执行的程序，通常要经过三个步骤：编译、链接、运行。不同的编译语言，在这三个步骤中所进行的操作又有些不同。
C 语言 作为一门静态类语言，在编译阶段就已经确定了所有变量的数据类型，同时也确定好了要调用的函数，以及函数的实现。
而 Objective-C 语言 是一门动态语言。在编译阶段并不知道变量的具体数据类型，也不知道所真正调用的哪个函数。只有在运行时间才检查变量的数据类型，同时在运行时才会根据函数名查找要调用的具体函数。这样在程序没运行的时候，我们并不知道调用一个方法具体会发生什么。
Objective-C 语言 把一些决定性的工作从编译阶段、链接阶段推迟到 运行时阶段 的机制，使得 Objective-C 变得更加灵活。我们甚至可以在程序运行的时候，动态的去修改一个方法的实现，这也为大为流行的「热更新」提供了可能性。
而实现 Objective-C 语言 运行时机制 的一切基础就是 Runtime。
Runtime 实际上是一个库，这个库使我们可以在程序运行时动态的创建对象、检查对象，修改类和对象的方法。
2. 消息机制的基本原理
Objective-C 语言 中，对象方法调用都是类似 [receiver selector]; 的形式，其本质就是让对象在运行时发送消息的过程。
我们来看看方法调用 [receiver selector]; 在「编译阶段」和「运行阶段」分别做了什么？
- 编译阶段：
[receiver selector];方法被编译器转换为:objc_msgSend(receiver，selector)（不带参数）objc_msgSend(recevier，selector，org1，org2，…)（带参数）
- 运行时阶段：消息接受者
recever寻找对应的selector。- 通过
recevier的isa 指针找到recevier的Class（类）； - 在
Class（类）的method list（方法列表）中找对应的selector； - 如果在
Class（类）中没有找到这个selector，就继续在它的superClass（父类）中寻找； - 一旦找到对应的
selector，直接执行recever对应selector方法实现的IMP（方法实现）。 - 若找不到对应的
selector，消息被转发或者临时向recever添加这个selector对应的实现方法，否则就会发生崩溃。
- 通过
在上述过程中涉及了好几个新的概念：objc_msgSend、isa 指针、Class（类）、IMP（方法实现） 等，下面我们来具体讲解一下各个概念的含义。
3. Runtime 中的概念解析
3.1 objc_msgSend
所有 Objective-C 方法调用在编译时都会转化为对 C 函数 objc_msgSend 的调用。objc_msgSend(receiver，selector); 是 [receiver selector]; 对应的 C 函数。
3.2 Class（类）
在 objc/runtime.h 中，Class（类） 被定义为指向 objc_class 结构体 的指针，objc_class 结构体 的数据结构如下：
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class {
Class _Nonnull isa; // objc_class 结构体的实例指针
#if !__OBJC2__
Class _Nullable super_class; // 指向父类的指针
const char * _Nonnull name; // 类的名字
long version; // 类的版本信息，默认为 0
long info; // 类的信息，供运行期使用的一些位标识
long instance_size; // 该类的实例变量大小;
struct objc_ivar_list * _Nullable ivars; // 该类的实例变量列表
struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists; // 方法定义的列表
struct objc_cache * _Nonnull cache; // 方法缓存
struct objc_protocol_list * _Nullable protocols; // 遵守的协议列表
#endif
};从中可以看出，
objc_class 结构体定义了很多变量：自身的所有实例变量（ivars）、所有方法定义（methodLists）、遵守的协议列表（protocols）等。objc_class 结构体存放的数据称为 元数据（metadata）。
objc_class 结构体的第一个成员变量是isa 指针，isa 指针保存的是所属类的结构体的实例的指针，这里保存的就是objc_class 结构体的实例指针，而实例换个名字就是 对象。换句话说，Class（类）的本质其实就是一个对象，我们称之为 类对象。
3.3 Object（对象）
接下来，我们再来看看 objc/objc.h 中关于 Object（对象） 的定义。 Object（对象）被定义为 objc_object 结构体，其数据结构如下：
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
Class _Nonnull isa; // objc_object 结构体的实例指针
};
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;这里的 id 被定义为一个指向 objc_object 结构体 的指针。从中可以看出 objc_object 结构体 只包含一个 Class 类型的 isa 指针。
换句话说，一个 Object（对象）唯一保存的就是它所属 Class（类） 的地址。当我们对一个对象，进行方法调用时，比如 [receiver selector];，它会通过 objc_object 结构体的 isa 指针 去找对应的 object_class 结构体，然后在 object_class 结构体 的 methodLists（方法列表） 中找到我们调用的方法，然后执行。
3.4 Meta Class（元类）
从上边我们看出， 对象（objc_object 结构体） 的 isa 指针 指向的是对应的 类对象（object_class 结构体）。那么 类对象（object_class 结构体）的 isa 指针 又指向什么呢？
object_class 结构体 的 isa 指针 实际上指向的的是 类对象 自身的 Meta Class（元类）。
那么什么是 Meta Class（元类）？
Meta Class（元类） 就是一个类对象所属的 类。一个对象所属的类叫做 类对象，而一个类对象所属的类就叫做 元类。
Runtime 中把类对象所属类型就叫做
Meta Class（元类），用于描述类对象本身所具有的特征，而在元类的 methodLists 中，保存了类的方法链表，即所谓的「类方法」。并且类对象中的isa 指针指向的就是元类。每个类对象有且仅有一个与之相关的元类。
在 2. 消息机制的基本原理 中我们讲解了 对象方法的调用过程，我们是通过对象的 isa 指针 找到 对应的 Class（类）；然后在 Class（类） 的 method list（方法列表） 中找对应的 selector 。
而 类方法的调用过程 和对象方法调用差不多，流程如下：
- 通过类对象
isa 指针找到所属的Meta Class（元类）； - 在
Meta Class（元类）的method list（方法列表）中找到对应的selector; - 执行对应的
selector。
下面看一个示例：
NSString *testString = [NSString stringWithFormat:@"%d,%s",3, "test"];上边的示例中，stringWithFormat: 被发送给了 NSString 类，NSString 类 通过 isa 指针 找到 NSString 元类，然后在该元类的方法列表中找到对应的 stringWithFormat: 方法，然后执行该方法。
3.5 实例对象、类、元类之间的关系
上面，我们讲解了 实例对象（Object）、类（Class）、Meta Class（元类） 的基本概念，以及简单的指向关系。下面我们通过一张图来清晰地表示出这种关系。
我们先来看 isa 指针：
- 水平方向上，每一级中的
实例对象的isa 指针指向了对应的类对象，而类对象的isa 指针指向了对应的元类。而所有元类的isa 指针最终指向了NSObject 元类，因此NSObject 元类也被称为根源类。 - 垂直方向上，
元类的isa 指针和父类元类的isa 指针都指向了根元类。而根源类的isa 指针又指向了自己。
我们再来看 父类指针：
类对象的父类指针指向了父类的类对象，父类的类对象又指向了根类的类对象，根类的类对象最终指向了 nil。元类的父类指针指向了父类对象的元类。父类对象的元类的父类指针指向了根类对象的元类，也就是根元类。而根元类的父亲指针指向了根类对象，最终指向了 nil。
3.6 方法（Method）
object_class 结构体 的 methodLists（方法列表）中存放的元素就是 方法（Method）。
先来看下 objc/runtime.h 中，表示 方法（Method） 的 objc_method 结构体 的数据结构：
/// An opaque type that represents a method in a class definition.
/// 代表类定义中一个方法的不透明类型
typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
SEL _Nonnull method_name; // 方法名
char * _Nullable method_types; // 方法类型
IMP _Nonnull method_imp; // 方法实现
};可以看到，objc_method 结构体 中包含了 方法名（method_name），方法类型（method_types） 和 方法实现（method_imp）。下面，我们来了解下这三个变量。
SEL method_name; // 方法名
/// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;SEL 是一个指向 objc_selector 结构体 的指针，但是在 runtime 相关头文件中并没有找到明确的定义。不过，通过测试我们可以得出： SEL 只是一个保存方法名的字符串。
SEL sel = @selector(viewDidLoad);
NSLog(@"%s", sel); // 输出：viewDidLoad
SEL sel1 = @selector(test);
NSLog(@"%s", sel1); // 输出：testIMP method_imp; // 方法实现
/// 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, ...);
#endifIMP 的实质是一个函数指针，所指向的就是方法的实现。IMP用来找到函数地址，然后执行函数。
char * method_types; // 方法类型
方法类型 method_types 是个字符串，用来存储方法的参数类型和返回值类型。
到这里，
Method的结构就已经很清楚了，Method将SEL（方法名）和IMP（函数指针）关联起来，当对一个对象发送消息时，会通过给出的SEL（方法名）去找到IMP（函数指针），然后执行。
4. Runtime 消息转发
在 2. 消息机制的基本原理 最后一步中我们提到：若找不到对应的 selector，消息被转发或者临时向 recever 添加这个 selector 对应的实现方法，否则就会发生崩溃。
当一个方法找不到的时候，Runtime 提供了 消息动态解析、消息接受者重定向、消息重定向 等三步处理消息，具体流程如下图所示：
4.1 消息动态解析
Objective-C 运行时会调用 +resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod:，让你有机会提供一个函数实现。我们可以通过重写这两个方法，添加其他函数实现，并返回 YES， 那运行时系统就会重新启动一次消息发送的过程。
主要用的的方法如下：
// 类方法未找到时调起，可以在此添加类方法实现
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel;
// 对象方法未找到时调起，可以在此对象方法实现
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel;
/**
* class_addMethod 向具有给定名称和实现的类中添加新方法
* @param cls 被添加方法的类
* @param name selector 方法名
* @param imp 实现方法的函数指针
* @param types imp 指向函数的返回值与参数类型
* @return 如果添加方法成功返回 YES，否则返回 NO
*/
BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp,
const char * _Nullable types);举个例子：
#import "ViewController.h"
#include "objc/runtime.h"
@interface ViewController ()
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// 执行 fun 函数
[self performSelector:@selector(fun)];
}
// 重写 resolveInstanceMethod: 添加对象方法实现
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
if (sel == @selector(fun)) { // 如果是执行 fun 函数，就动态解析，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 函数
}
@end打印结果： 2019-06-12 10:25:39.848260+0800 runtime[14884:7977579] funMethod
从上边的例子中，我们可以看出，虽然我们没有实现 fun 方法，但是通过重写 resolveInstanceMethod: ，利用 class_addMethod 方法添加对象方法实现 funMethod 方法，并执行。从打印结果来看，成功调起了funMethod 方法。
我们注意到 class_addMethod 方法中的特殊参数
v@:，具体可参考官方文档中关于Type Encodings的说明：传送门
4.2 消息接受者重定向
如果上一步中 +resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod: 没有添加其他函数实现，运行时就会进行下一步：消息接受者重定向。
如果当前对象实现了 -forwardingTargetForSelector:，Runtime 就会调用这个方法，允许我们将消息的接受者转发给其他对象。
用到的方法：
// 重定向方法的消息接收者，返回一个类或实例对象
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;注意：这里
+resolveInstanceMethod:或者+resolveClassMethod:无论是返回YES，还是返回NO，只要其中没有添加其他函数实现，运行时都会进行下一步。
举个例子：
#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];
// 执行 fun 方法
[self performSelector:@selector(fun)];
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
return YES; // 为了进行下一步 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 对象，让 Person 对象接收这个消息
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}打印结果： 2019-06-12 17:34:05.027800+0800 runtime[19495:8232512] fun
可以看到，虽然当前 ViewController 没有实现 fun 方法，+resolveInstanceMethod: 也没有添加其他函数实现。但是我们通过 forwardingTargetForSelector 把当前 ViewController 的方法转发给了 Person 对象去执行了。打印结果也证明我们成功实现了转发。
我们通过 forwardingTargetForSelector 可以修改消息的接收者，该方法返回参数是一个对象，如果这个对象是不是 nil，也不是 self，系统会将运行的消息转发给这个对象执行。否则，继续进行下一步：消息重定向流程。
4.3 消息重定向
如果经过消息动态解析、消息接受者重定向，Runtime 系统还是找不到相应的方法实现而无法响应消息，Runtime 系统会利用 -methodSignatureForSelector: 方法获取函数的参数和返回值类型。
- 如果
-methodSignatureForSelector:返回了一个NSMethodSignature对象（函数签名），Runtime 系统就会创建一个NSInvocation对象，并通过-forwardInvocation:消息通知当前对象，给予此次消息发送最后一次寻找 IMP 的机会。 - 如果
-methodSignatureForSelector:返回nil。则 Runtime 系统会发出-doesNotRecognizeSelector:消息，程序也就崩溃了。
所以我们可以在 -forwardInvocation: 方法中对消息进行转发。
用到的方法：
// 获取函数的参数和返回值类型，返回签名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;
// 消息重定向
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation；举个例子：
#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];
// 执行 fun 函数
[self performSelector:@selector(fun)];
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
return YES; // 为了进行下一步 消息接受者重定向
}
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
return nil; // 为了进行下一步 消息重定向
}
// 获取函数的参数和返回值类型，返回签名
- (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; // 从 anInvocation 中获取消息
Person *p = [[Person alloc] init];
if([p respondsToSelector:sel]) { // 判断 Person 对象方法是否可以响应 sel
[anInvocation invokeWithTarget:p]; // 若可以响应，则将消息转发给其他对象处理
} else {
[self doesNotRecognizeSelector:sel]; // 若仍然无法响应，则报错：找不到响应方法
}
}
@end打印结果： 2019-06-13 13:23:06.935624+0800 runtime[30032:8724248] fun
可以看到，我们在 -forwardInvocation: 方法里面让 Person 对象去执行了 fun 函数。
既然 -forwardingTargetForSelector: 和 -forwardInvocation: 都可以将消息转发给其他对象处理，那么两者的区别在哪？
区别就在于 -forwardingTargetForSelector: 只能将消息转发给一个对象。而 -forwardInvocation: 可以将消息转发给多个对象。
以上就是 Runtime 消息转发的整个流程。
结合之前讲的 2. 消息机制的基本原理，就构成了整个消息发送以及转发的流程。下面我们来总结一下整个流程。
5. 消息发送以及转发机制总结
调用 [receiver selector]; 后，进行的流程：
- 编译阶段：
[receiver selector];方法被编译器转换为:objc_msgSend(receiver，selector)（不带参数）objc_msgSend(recevier，selector，org1，org2，…)（带参数）
- 运行时阶段：消息接受者
recever寻找对应的selector。- 通过
recevier的isa 指针找到recevier的class（类）； - 在
class（类）的method list（方法列表）中找对应的selector； - 如果在
class（类）中没有找到这个selector，就继续在它的superclass（父类）中寻找； - 一旦找到对应的
selector，直接执行recever对应selector方法实现的IMP（方法实现）。 - 若找不到对应的
selector，Runtime 系统进入消息转发机制。
- 通过
- 运行时消息转发阶段：
- 动态解析：通过重写
+resolveInstanceMethod:或者+resolveClassMethod:方法，利用class_addMethod方法添加其他函数实现； - 消息接受者重定向：如果上一步添加其他函数实现，可在当前对象中利用
-forwardingTargetForSelector:方法将消息的接受者转发给其他对象； - 消息重定向：如果上一步没有返回值为
nil，则利用-methodSignatureForSelector:方法获取函数的参数和返回值类型。 - 如果
-methodSignatureForSelector:返回了一个NSMethodSignature对象（函数签名），Runtime 系统就会创建一个NSInvocation对象，并通过-forwardInvocation:消息通知当前对象，给予此次消息发送最后一次寻找 IMP 的机会。 - 如果
-methodSignatureForSelector:返回nil。则 Runtime 系统会发出-doesNotRecognizeSelector:消息，程序也就崩溃了。
- 动态解析：通过重写
参考资料
- 文档：Objective-C 运行时（苹果官方文档）
- 文档：Objective-C 运行时编程指南（苹果官方文档）
- 博文：Runtime-iOS 运行时基础篇
- 博文：iOS Runtime 详解
- 博文：新手也看得懂的 iOS Runtime 教程
以上就是 iOS 开发：「Runtime」详解（一）：基础知识 的所有内容了。 整篇文章主要就讲了一件事：消息发送以及转发机制的原理和流程。这也是 Runtime 系统的工作原理。
下一篇笔者准备讲一下「Runtime」的实战应用。