runtime变奏曲，那些藏在runtime中的接口（一）

2023年5月15日 167次阅读 来源: 天口三水羊

C本身是一个静态语言，数据类型和代码运行的结果都是在编译的时候确定的。而Objective-C的runtime机制赋予了C一个新的活力，即运行时机制。这也就是说，OC代码或者C代码在编译过后的机器码并不能得出运行结果。而这个结果需要在运行的时候才能获得，这样就给了我们一个新的操纵代码的空间，也就是运行时。在OC中，运行时是一段提前写完的一个模块的代码。可以这么说，OC的运行时就是这段代码赋予的。
前几篇文章中，我提到了objc_msgSend的流程，是为了让大家对runtime的过程有一个大致的了解。但是，对于大部分人来说，比起原理，更关注的是怎么用。所以本章的内容就是我在runtime小序曲，从运行时多态看这股神秘力量中提到的runtime的除了objc_msgSend的另外两种应用：NSObject的方法和runtime的函数。
学习进度:

一、NSObject的方法

前几天，和群里的一位骚年讨论了runtime的问题。他的看法是，runtime并没有什么用，不用runtime照样可以开发。其实，前半句并没有什么毛病，runtime确实没有什么用，因为大部分开发工作基本用不着（其实我们公司用的蛮多的）。问题出在第二句，不用runtime就可以开发。OC作为一种高级语言，能让你方便的使用它的一些接口。比如：

- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector;

这个方法大家应该经常使用，尤其是在使用delegate的场合，基本是必用的。那么，我们从逻辑上看这个方法。从runtime小序曲，从运行时多态看这股神秘力量中我就说过，OC没法在编译时刻确定一个对象的类型。而这个方法是判断一个继承自NSObject的class有没有实现一个SEL。很明显，编译时刻做不了这件事，它是在运行时刻做的。所以，不用runtime就可以开发是错误的。其实，这种事情并不罕见，大部分人不想学习runtime的原因也是如此。

  • runtime是C和汇编写的，看不懂。
  • runtime开发用不着。

换个方式再说一下，runtime赋予C面向对象的能力，所以有了OC。那么说实话，只要你用到class，其实都是和runtime相关的，怎么可能避开。好像跑题了，现在我们回来。其实，和respondsToSelector:类似的OC方法还有很多，下述我会整理一些常用的。

// 在usr/include中的objc/runtime.h可以查看

// 获取对象对应的class
- (Class)class;
// 判断一个对象或者类是不是某个class或者这个class的派生类
- (BOOL)isKindOfClass:(Class)aClass;
// 判断一个对象或者类是不是某个class
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)aClass;
// 判断一个对象或者类对应的objc_class里面是否实现了某个协议
- (BOOL)conformsToProtocol:(Protocol *)aProtocol;
// 判断一个对象或者类对应的objc_class里面有没有某个方法
- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector;

二、runtime中的数据结构

一中举出了一些OC的runtime方法，很易懂，因为OC就是我们的开发语言，下面我会一个个解读runtime中的C语言的接口。因为C中没有class的概念，只有struct，所以在介绍C语言接口之前，这里我将挨个介绍在runtime中使用到的常见结构体。

1、objc_class

类结构体，对应class。前几篇文章提到最多的一个结构。
objc_class

struct objc_class {
    // 指向元类的的指针，如果本身是元类，则指向rootMeta
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    // 指向父类
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    // 类名
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    // 版本号，可以用runtime方法set，get
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    // 成员变量列表，存储成员变量
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    // 方法列表
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    // 方法cache，msgSend遍历继承链的时候需要辅助使用
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    // 协议列表
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

OBJC2_UNAVAILABLE宏定义是苹果在 Objc 中对系统运行版本进行约束的操作，为的是兼容非Objective-C 2.0的遗留逻辑，但我们仍能从中获得一些有价值的信息，有兴趣的可以查看源代码，见底部文献。

2、与objc_class直接相关

这里面举出了存储于上述objc_class结构体之中的一些相关结构体。
objc_method

// 存在objc_method_list里面
struct objc_method {
    // 方法名
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    // 参数，返回值编码
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    // 方法地址指针
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}

objc_method_description

// 方法描述
struct objc_method_description {
    // 方法名
    SEL name;     
    // 参数，返回值编码             
    char *types;           
};

objc_protocol_list

struct objc_protocol_list {
    // 指向下一个objc_protocol_list的指针
    struct objc_protocol_list *next;
    long count;
    // 协议结构
    Protocol *list[1];
};

objc_ivar

struct objc_ivar {
    // 成员变量名
    char *ivar_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    // 成员变量的类型，比如@"NSString" 代表NSString
    char *ivar_type                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    int ivar_offset                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}

3、与分类相关

分类是不会在编译时刻绑定到对应的类里的，只能在运行时动态绑定。所以这里把它拿出来。
objc_category

struct objc_category {
    // 分类名称
    char *category_name                                      OBJC2_UNAVAILABLE;
    // 绑定的类名
    char *class_name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    // 分类中的实例方法
    struct objc_method_list *instance_methods                OBJC2_UNAVAILABLE;
    // 分类中的类方法
    struct objc_method_list *class_methods                   OBJC2_UNAVAILABLE;
    // 分类实现的协议
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
}

分类和类扩展区别:
extension看起来很像一个匿名的category，但是extension和有名字的category几乎完全是两个东西。 extension在编译期决议，它就是类的一部分，在编译期和头文件里的@interface以及实现文件里的@implement一起形成一个完整的类，它伴随类的产生而产生，亦随之一起消亡。但是category则完全不一样，它是在运行期决议的。如想学习更多category相关底层，参见:http://tech.meituan.com/DiveIntoCategory.html。

4、属性相关

这里为什么把属性拿出来呢？因为上述的兼容OC1.0的objc_class里面没有property。看了runtime的源码之后，发现property有一个具体的存储地点，也在objc_class（实质是继承了objc_object）中，至于上述objc_class没有，只是因为apple不想让我们看见。如想了解更多，参考:runtime源码的objc-runtime-new.mm和objc-private.h。
objc_property_t

// 属性对应的结构体objc_property，至于具体结构，一般看不着
typedef struct objc_property *objc_property_t;

// 在objc-runtime-old.h中的结构体作为参考吧
struct old_property {
    // 属性名
    const char *name;
    // objc_property_attribute_t的char*表示
    const char *attributes;
};

objc_property_attribute_t

// 这是用来修饰表示属性的一些修饰词，比如nonatomic、copy等等
typedef struct {
    const char *name;          
    const char *value;         
} objc_property_attribute_t;

objc_property_attribute_t具体参考:https://developer.apple.com/library/content/documentation/Cocoa/Conceptual/ObjCRuntimeGuide/Articles/ocrtPropertyIntrospection.html#//apple_ref/doc/uid/TP40008048-CH101-SW1。

三、runtime的函数

到这也就到了正菜了。本章我会把runtime库中public部分所有和class相关的api都调用一遍，解释一遍。至于ivar相关、method相关、protocol相关、property相关和具体应用，且待下回分解。

前提

// 为获取class的protocol准备
@protocol AProtocol <NSObject>
- (void)aProtocolMethod;
@end
// 为获取class的相关信息
@interface A : NSObject {
    NSString *strA;
}
@property (nonatomic, assign) NSUInteger uintA;
@end
@implementation A
@end
// 为为class添加方法准备
void aNewMethod() {
    NSLog(@"aNewMethod");
}
void aReplaceMethod() {
    NSLog(@"aReplaceMethod");
}

class相关使用场景1（class一些基础信息获取）:

// 代码
// 获取类名
const char *a = class_getName([A class]); 
NSLog(@"%s", a);  // a
// 获取父类
Class aSuper = class_getSuperclass([A class]);
NSLog(@"%s", class_getName(aSuper));  // b
// 判断是否是元类
BOOL aIfMeta = class_isMetaClass([A class]);
BOOL aMetaIfMeta = class_isMetaClass(objc_getMetaClass("A"));
NSLog(@"%i  %i", aIfMeta, aMetaIfMeta);   // c
// 类大小
size_t aSize = class_getInstanceSize([A class]);
NSLog(@"%zu", aSize);  // d
// 获取和设置类版本号
class_setVersion([A class], 1);
NSLog(@"%d", class_getVersion([A class]));  // e
// 获取工程中所有的class，包括系统class
unsigned int count3;
int classNum = objc_getClassList(NULL, count3);
NSLog(@"%d", classNum);    // f
// 获取工程中所有的class的数量
objc_copyClassList(&count3);
NSLog(@"%d", classNum);    // g
Class aClass;
// 获取name为"A"的class
aClass = objc_getClass("A");    
NSLog(@"%s", class_getName(aClass));    // h
// 获取name为"A"的class，比getClass少了一次检查
aClass = objc_lookUpClass("A");
NSLog(@"%s", class_getName(aClass));    // i
// 获取name为"A"的class，找不到会crash
aClass = objc_getRequiredClass("A");
NSLog(@"%s", class_getName(aClass));    // j
// 获取name为"A"的class元类
Class aMetaClass = objc_getMetaClass("A");
NSLog(@"%d", class_isMetaClass(aMetaClass));    // k

// 输出
2017-01-21 12:15:55.909 block[2493:1919841] A    // a
2017-01-21 12:15:55.912 block[2493:1919841] NSObject    // b
2017-01-21 12:15:55.913 block[2493:1919841] 0  1    // c
2017-01-21 12:15:55.913 block[2493:1919841] 24    // d
2017-01-21 12:15:55.914 block[2493:1919841] 1    // e
2017-01-21 12:44:32.401 block[5103:1948802] 4733    // f
2017-01-21 12:44:32.402 block[5103:1948802] 4733    // g
2017-01-21 12:44:32.402 block[5103:1948802] A    // h 
2017-01-21 12:44:32.403 block[5103:1948802] A    // i
2017-01-21 12:44:32.403 block[5103:1948802] A    // j
2017-01-21 12:44:32.403 block[5103:1948802] 1    // k

class相关使用场景2（class中的ivar和property）

// 代码

// 获取类实例成员变量，只能取到本类的，父类的访问不到
Ivar aInstanceIvar = class_getInstanceVariable([A class], "strA");
NSLog(@"%s", ivar_getName(aInstanceIvar));    // a
// 获取类成员变量，相当于class_getInstanceVariable(cls->isa, name)，感觉除非给metaClass添加成员，否则不会获取到东西
Ivar aClassIvar = class_getClassVariable([A class], "strA");
NSLog(@"%s", ivar_getName(aClassIvar));    // b
// 往A类添加成员变量不会成功的。因为class_addIvar不能给现有的类添加成员变量，也不能给metaClass添加成员变量，那怎么添加，且往后看
if (class_addIvar([A class], "intA", sizeof(int), log2(sizeof(int)), @encode(int))) {
    NSLog(@"绑定成员变量成功");    // c
}
// 获取类中的ivar列表，count为ivar总数
unsigned int count;
Ivar *ivars = class_copyIvarList([A class], &count);
NSLog(@"%i", count);    // d
// 获取某个名为"uIntA"的属性
objc_property_t aPro = class_getProperty([A class], "uintA");
NSLog(@"%s", property_getName(aPro));    // e
// 获取类的全部属性
class_copyPropertyList([A class], &count);
NSLog(@"%i", count);    // f
// 创建objc_property_attribute_t，然后动态添加属性
objc_property_attribute_t type = { "T", [[NSString stringWithFormat:@"@\"%@\"",NSStringFromClass([NSString class])] UTF8String] }; //type
objc_property_attribute_t ownership0 = { "C", "" }; // C = copy
objc_property_attribute_t ownership = { "N", "" }; //N = nonatomic
objc_property_attribute_t backingivar  = { "V", [[NSString stringWithFormat:@"_%@", @"aNewProperty"] UTF8String] };  //variable name
objc_property_attribute_t attrs[] = { type, ownership0, ownership, backingivar };
if(class_addProperty([A class], "aNewProperty", attrs, 4)) {
    // 只会增加属性，不会自动生成set，get方法
    NSLog(@"绑定属性成功");    // g
}
// 创建objc_property_attribute_t，然后替换属性
objc_property_attribute_t typeNew = { "T", [[NSString stringWithFormat:@"@\"%@\"",NSStringFromClass([NSString class])] UTF8String] }; //type
objc_property_attribute_t ownership0New = { "C", "" }; // C = copy
objc_property_attribute_t ownershipNew = { "N", "" }; //N = nonatomic
objc_property_attribute_t backingivarNew  = { "V", [[NSString stringWithFormat:@"_%@", @"uintA"] UTF8String] };  //variable name
objc_property_attribute_t attrsNew[] = { typeNew, ownership0New, ownershipNew, backingivarNew };
class_replaceProperty([A class], "uintA", attrsNew, 4);
// 这有个很大的坑。替换属性指的是替换objc_property_attribute_t，而不是替换name。如果替换的属性class里面不存在，则会动态添加这个属性
objc_property_t pro = class_getProperty([A class], "uintA");
NSLog(@"123456   %s", property_getAttributes(pro));    // h
// class_getIvarLayout、class_setIvarLayout、class_getWeakIvarLayout、class_setWeakIvarLayout用来设定和获取成员变量的weak、strong。参见http://blog.sunnyxx.com/2015/09/13/class-ivar-layout/

// 输出
2017-01-21 12:44:32.377 block[5103:1948802] strA    // a
2017-01-21 12:44:32.377 block[5103:1948802] (null)    // b
2017-01-21 12:44:32.377 block[5103:1948802] 2    // d
2017-01-21 12:44:32.377 block[5103:1948802] uintA    // e
2017-01-21 12:44:32.378 block[5103:1948802] 1    // f
2017-01-21 12:44:32.378 block[5103:1948802] 绑定属性成功    // g
2017-01-21 12:44:32.379 block[5103:1948802] 123456   T@"NSString",C,N,V_uintA    // h

class相关使用场景3（class中的method）

// 代码

// 动态添加方法
class_addMethod([A class], @selector(aNewMethod), (IMP)aNewMethod, "v");
// 向元类动态添加类方法
class_addMethod(objc_getMetaClass("A"), @selector(aNewMethod), (IMP)aNewMethod, "v");
// 获取类实例方法
Method aMethod = class_getInstanceMethod([A class], @selector(aNewMethod));
// 获取元类中类方法
Method aClassMethod = class_getClassMethod([A class], @selector(aNewMethod));
NSLog(@"%s", method_getName(aMethod));    // a
NSLog(@"%s", method_getName(aClassMethod));    // b
// 获取类中的method列表
unsigned int count1;
Method *method = class_copyMethodList([A class], &count1);
// 多了一个方法，打印看出.cxx_destruct，只在arc下有，析构函数
NSLog(@"%i", count1);    // c
NSLog(@"%s", method_getName(method[2]));    // d
 // 替换方法，其实是替换IMP
class_replaceMethod([A class], @selector(aNewMethod), (IMP)aReplaceMethod, "v");
 // 调用aNewMethod，其实是调用了aReplaceMethod
[[A new] performSelector:@selector(aNewMethod)];    // aReplaceMethod会输出 e
// 获取类中某个SEL的IMP
IMP aNewMethodIMP = class_getMethodImplementation([A class], @selector(aNewMethod));
aNewMethodIMP();    // 会调用aReplaceMethod的输出 f
// 获取类中某个SEL的IMP
IMP aNewMethodIMP_stret = class_getMethodImplementation_stret([A class], @selector(aNewMethod));
aNewMethodIMP_stret();    // 会调用aReplaceMethod的输出 g
// 判断A类中有没有一个SEL
if(class_respondsToSelector([A class], @selector(aNewMethod))) {
    NSLog(@"存在这个方法");    // h
}

// 输出
2017-01-21 12:44:32.379 block[5103:1948802] aNewMethod    // a
2017-01-21 12:44:32.379 block[5103:1948802] aNewMethod    // b
2017-01-21 12:44:32.380 block[5103:1948802] 4    // c 
2017-01-21 12:44:32.380 block[5103:1948802] setUintA:    // d
2017-01-21 12:44:32.380 block[5103:1948802] aReplaceMethod    // e
2017-01-21 12:44:32.381 block[5103:1948802] aReplaceMethod    // f
2017-01-21 12:44:32.381 block[5103:1948802] aReplaceMethod    // g
2017-01-21 12:44:32.381 block[5103:1948802] 存在这个方法    // h

class相关使用场景4（动态创建类）

// 代码

// 动态创建一个类和其元类
Class aNewClass = objc_allocateClassPair([NSObject class], "aNewClass", 0);
// 添加成员变量
if (class_addIvar(aNewClass, "intA", sizeof(int), log2(sizeof(int)), @encode(int))) {
    NSLog(@"绑定成员变量成功");    // a
}
// 注册这个类，之后才能用
objc_registerClassPair(aNewClass);
// 销毁这个类和元类
objc_disposeClassPair(aNewClass);    

// 输出
2017-01-21 12:44:32.382 block[5103:1948802] 绑定成员变量成功    // a

class相关使用场景5（class中的protocol）

// 代码

// 添加protocol到class
if(class_addProtocol([A class], @protocol(AProtocol))) {
    NSLog(@"绑定Protocol成功");    // a
}
// 查看类是不是遵循protocol
if(class_conformsToProtocol([A class], @protocol(AProtocol))) {
    NSLog(@"A遵循AProtocol");    // b
}
// 获取类中的protocol
unsigned int count2;
Protocol *__unsafe_unretained  *aProtocol = class_copyProtocolList([A class], &count2);
NSLog(@"%s", protocol_getName(aProtocol[0]));    // c

// 输出
2017-01-21 12:44:32.381 block[5103:1948802] 绑定Protocol成功    // a
2017-01-21 12:44:32.381 block[5103:1948802] A遵循AProtocol    // b
2017-01-21 12:44:32.382 block[5103:1948802] AProtocol    // c

四、小结

本章介绍了runtime的一些OC方法和runtime的数据结构，另外把runtime库public部分中所有与class相关的C方法都介绍了。下一节，将继续介绍runtime库public部分中中的其他的api。（其实，我觉得runtime学习不要太关注应用，准确的说，每一个api都是一种应用）

五、文献

1、https://developer.apple.com/reference/objectivec/1657527-objective_c_runtime?language=objc
2、https://developer.apple.com/library/content/documentation/Cocoa/Conceptual/ObjCRuntimeGuide/Articles/ocrtPropertyIntrospection.html
3、http://blog.sunnyxx.com/2015/09/13/class-ivar-layout/
4、http://tech.meituan.com/DiveIntoCategory.html
5、https://github.com/opensource-apple/objc4

    原文作者：天口三水羊
    原文地址: https://www.jianshu.com/p/ab867b79a8bc
    本文转自网络文章，转载此文章仅为分享知识，如有侵权，请联系博主进行删除。
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