一、什么是Runtime？
我們都知道，從源代碼到可執行文件需要經歷三個階段：編譯、鏈接、運行。
Objective-C是一門動態語言，會盡可能的將決定性的工作從編譯時和鏈接時推遲到運行時，也就是說只有編譯器是不夠的，還需要一個運行時系統 (runtime system) 來執行編譯后的代碼。這就是 Objective-C Runtime 系統存在的意義，它是整個Objc運行框架的一塊基石。
Runtime簡稱運行時。OC就是運行時機制，其中最主要的是消息機制。對于C語言，函數的調用在編譯的時候會決定調用哪個函數。對于OC的函數，屬于動態調用過程，在編譯的時候并不能決定真正調用哪個函數（事實證明，在編譯階段，OC可以調用任何函數，即使這個函數并未實現，只要申明過就不會報錯。而C語言在編譯階段就會報錯），只有在真正運行的時候才會根據函數的名稱找到對應的函數來調用。
二、Runtime源碼
蘋果和GNU各自維護一個開源的Runtime版本，這兩個版本之間都在努力的保持一致。
1.蘋果公司Runtime開源代碼
2.GNU Runtime開源代碼
三、Runtime底層解析
我們首先來看下runtime中對象(object)、類(class)、方法(method)等都是這么定義的
1. 對象(object)
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;
/// Represents an instance of a class.
// 對象
struct objc_object {
// 對象的isa指針指向類對象
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
從上面源碼中可以看到這里的 id 被定義為一個指向 objc_object 結構體 的指針。從中可以看出 objc_object 結構體 只包含一個 Class類型的 isa 指針，而Class是一個指向objc_class結構體的指針。
由此可以得出對象的本質是一個objc_object的結構體，類的本質是一個objc_class的結構體
2. 類(class)
// 類對象
struct objc_class {
// 類對象的isa指針指向元類對象
// 元類對象的isa指針指向的是根元類
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
// 指向父類的指針
Class _Nullable super_class OBJC2_UNAVAILABLE;
// 類的名稱
const char * _Nonnull name OBJC2_UNAVAILABLE;
// 類的版本信息，默認為 0
long version OBJC2_UNAVAILABLE;
// 類的信息，供運行期使用的一些位標識
long info OBJC2_UNAVAILABLE;
// 該類的實例變量大小
long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE;
// 該類的屬性列表
struct objc_ivar_list * _Nullable ivars OBJC2_UNAVAILABLE;
// 該類的方法列表
struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists OBJC2_UNAVAILABLE;
// 該類的方法緩存
struct objc_cache * _Nonnull cache OBJC2_UNAVAILABLE;
// 該類的協議列表
struct objc_protocol_list * _Nullable protocols OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
從上面源碼可以看出objc_class 結構體定義了很多變量，其中包含了自身的所有實例變量（ivars）、所有方法定義（methodLists）、遵守的協議列表（protocols）等。objc_class 結構體 存放的數據稱為元數據（metadata）。
objc_class的第一個成員變量是isa指針，此isa指針指向的是本身的元類（meta class）。
3. 元類(meta class)
那么什么是元類呢？
元類是編譯器在創建類的同時創建的一個虛擬的類，用來存儲類對象的類方法等信息的類。
類和元類的關系就和實例對象和類的關系一樣：類就是實例對象所屬的類，元類就是類對象所屬的類。
元類也是一個指向objc_class結構體的指針，元類的isa指針指向的是根元類。
4. 實例對象、類、元類的關系
下面用一張圖來總結下這三者之間的關系
實例對象中有個isa指針，這個isa指針指向實例對象所在的類，類對象中也有個isa指針，這個isa指針指向類對象所在的元類，元類對象還有個isa指針，這個isa指針指向根元類，根元類中的isa指針指向的是本身。
5. 方法(method)
/// An opaque type that represents a method in a class definition.
typedef struct objc_method *Method;
// 方法
struct objc_method {
// 方法名稱
SEL _Nonnull method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
// 方法類型
char * _Nullable method_types OBJC2_UNAVAILABLE;
// 方法實現
IMP _Nonnull method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;
}
其中method_name和method_imp分別是方法名稱和方法實現，那么method_types是什么呢？
method_types是類型編碼，為了和運行時系統協作，編譯器將方法的返回類型和參數類型都編碼成一個字符串，并且和方法選標關聯 在一起。method_types的類型編碼對照表如下：
四、消息傳遞
Objective-C中方法的調用通常是這樣的[obj run]，編譯器在編譯時都會轉化為objc_msgSend(obj, run)進行消息發送;
如果obj為實例對象則消息傳遞流程：
1.找到對象所在類：通過obj的isa指針找到Class類。
2.從緩存中查找：從Class類中的方法緩沖區cache中查找方法（被調用過的方法都會存在方法緩沖區cache中，以便下次更快的調用），如果沒有找到則進入下一步
3.從方法列表中查找：如果cache中沒有，則從methodLists中查找。如果沒找到則進入下一步。
4.通過繼承鏈查找：通過Class的繼承鏈找到父類直到根類NSObject，每次重復2，3步，如果還找不到則進入下一步。
5.動態方法解析：調用 + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel方法來查看是否能夠返回一個selector，如果存在則返回selector。不存在進入下一步。
6.備用接收者：- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector這個方法來詢問是否有接收者可以接收這個方法。如果有接收者，則交給它處理，否則進入下一步。
7.消息的轉發：如果到這一步還不能夠找到相應的selector的話，就要進行完整的方法轉發過程。調用方法(void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation，如果這里還沒有處理則會進入下一步。
8.奔潰：最后還是沒有找到的話就只有呵呵了，這時候unrecognized selector sent to instance 0x100111df0的錯誤就來了。
動態方法解析
在上面方法傳遞過程中如果一直沒找到方法會進入動態消息解析過程，在此過程中可以動態的添加方法實現。如果你添加了方法實現， 那運行時系統就會重新啟動一次消息發送的過程。
動態方法解析主要在+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel和+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel這兩個方法中進行，通過例子我們來了解一下
@interface ViewController ()
// 聲明run方法
- (void)run;
+ (void)walk;
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// 調用run方法，但run方法并未被實現
[self run];
[ViewController walk];
}
// 對象方法未找到時調起此方法，可以再次方法中添加方法實現
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
// 如果沒有實現run方法
if (sel == @selector(run)) {
/**
* 可以在此添加一個方法實現
* @param cls 被添加方法的類
* @param name selector 方法名
* @param imp 實現方法的函數指針
* @param types imp 指向函數的返回值與參數類型
* @return 如果添加方法成功返回 YES，否則返回 NO
*/
return class_addMethod(self, sel, (IMP)runImp, "v@:");
}else if (sel == @selector(walk)) {
return class_addMethod(self, sel, (IMP)walkImp, "v@:");
}
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
// 類方法未找到時調起此方法，可以再次方法中添加方法實現
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel{
// 如果沒有實現run方法
if (sel == @selector(walk)) {
/**
* 可以在此添加一個方法實現
* @param cls 被添加方法的類的元類。??這是元類
* @param name selector 方法名
* @param imp 實現方法的函數指針
* @param types imp 指向函數的返回值與參數類型
* @return 如果添加方法成功返回 YES，否則返回 NO
*/
return class_addMethod(objc_getMetaClass(object_getClassName(self)), sel, (IMP)walkImp, "v@:");;
}
return [super resolveClassMethod:sel];
}
// 方法實現
void runImp(id obj, SEL sel){
NSLog(@"實例方法實現 %s",__func__);
}
// 方法實現
void walkImp(id obj, SEL sel){
NSLog(@"類方法實現 %s",__func__);
}
@end
這是打印的信息
2020-09-02 15:55:13.694867+0800 RuntimeDemo[5899:162375] 實例方法實現 runImp
2020-09-02 15:55:13.695411+0800 RuntimeDemo[5899:162375] 類方法實現 walkImp
備用接收者
如果在動態消息轉發過程中沒有添加方法的實現，那么此時Runtime就會調用- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector這個方法來返回一個備用接收者，然后由這個備用接收者來實現這個方法。下面通過一個例子我們來了解一下
@interface Person : NSObject
@end
@implementation Person
- (void)run{
NSLog(@"%s",__func__);
}
+ (void)walk{
NSLog(@"%s",__func__);
}
@end
@interface ViewController ()
// 聲明run方法
- (void)run;
+ (void)walk;
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// 調用run方法，但run方法并未被實現
[self run];
[ViewController walk];
}
// 返回一個備用接收者
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
NSLog(@"instance method : %@", NSStringFromSelector(aSelector));
if (aSelector == @selector(run)) {
return [[Person alloc] init];
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
+ (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
NSLog(@"class method : %@", NSStringFromSelector(aSelector));
if (aSelector == @selector(walk)) {
return [Person class];
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
@end
下面是此次運行打印的結果
2020-09-02 18:07:40.491838+0800 RuntimeDemo[6821:230239] instance method : run
2020-09-02 18:07:40.492687+0800 RuntimeDemo[6821:230239] -[Person run]
2020-09-02 18:07:40.493125+0800 RuntimeDemo[6821:230239] class method : walk
2020-09-02 18:07:40.493510+0800 RuntimeDemo[6821:230239] +[Person walk]
可以看到雖然ViewController沒有實現這兩個方法，動態方法解析也沒有添加這個兩個方法實現，但是我們通過 forwardingTargetForSelector 把當前 ViewController的方法轉發給了 Person 對象去執行了。打印結果也證明我們成功實現了轉發。
我們通過forwardingTargetForSelector 可以修改消息的接收者，該方法返回參數是一個對象，如果這個對象是不是 nil，也不是 self，系統會將運行的消息轉發給這個對象執行。否則，繼續進行下一步：消息轉發（重定向）流程。
消息轉發（重定向）
如果經過前面兩步Runtime 系統還是找不到相應的方法實現而無法響應消息，那么就會進入消息轉發流程：
首先它會發送-methodSignatureForSelector:消息獲得函數的參數和返回值類型。如果 methodSignatureForSelector:返回了一個 NSMethodSignature 對象（函數簽名），Runtime 系統就會創建一個 NSInvocation 對象，并通過 forwardInvocation:消息通知當前對象，給予此次消息發送最后一次尋找 IMP 的機會。如果 methodSignatureForSelector: 返回 nil。則 Runtime 系統會發出doesNotRecognizeSelector: 消息，程序也就崩潰了。
下面我們通過一個例子來了解一下
@interface Person : NSObject
@end
@implementation Person
- (void)run{
NSLog(@"%s",__func__);
}
+ (void)walk{
NSLog(@"%s",__func__);
}
- (void)run:(NSString *)type{
NSLog(@"%s %@",__func__, type);
}
@end
@interface ViewController ()
// 聲明run方法
- (void)run;
- (void)run:(NSString *)type;
+ (void)walk;
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// 調用run方法，但run方法并未被實現
[self run];
[self run:@"slowly"];
[ViewController walk];
}
// 獲取方法函數的參數和返回值類型，返回簽名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
if (aSelector == @selector(run)) {
//簽名，進入forwardInvocation
return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
}else if (aSelector == @selector(run:)) {
//簽名，進入forwardInvocation
return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:@"];
}
return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}
// 消息轉發（重定向）
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
SEL sel = anInvocation.selector;
NSLog(@"- forwardInvocation %@", NSStringFromSelector(sel));
Person *p = [[Person alloc] init];
// 第一種方式 調用時候傳的是什么參數就是什么參數
if ([p respondsToSelector:sel]) {
[anInvocation invokeWithTarget:p];
}else {
// 若仍然無法響應，則報錯：找不到響應方法
[self doesNotRecognizeSelector:sel];
}
// // 第二種方式 可以自定義傳參
// NSMethodSignature *signature = [p methodSignatureForSelector:sel];
// NSInvocation *invocation = [NSInvocation invocationWithMethodSignature:signature];
// invocation.target = p;
// invocation.selector = sel;
// if (sel == @selector(run:)) {
// NSString *runType = @"fast";
// //注意：設置參數的索引時不能從0開始，因為0已經被self占用，1已經被_cmd占用
// [invocation setArgument:&runType atIndex:2];
// }
// [invocation invoke];
}
+ (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
if (aSelector == @selector(walk)) {
//簽名，進入forwardInvocation
return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
}
return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}
+ (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation{
SEL sel = anInvocation.selector;
NSLog(@"+ forwardInvocation %@", NSStringFromSelector(sel));
if ([Person respondsToSelector:sel]) {
[anInvocation invokeWithTarget:objc_getClass(object_getClassName([Person class]))];
}else {
// 若仍然無法響應，則報錯：找不到響應方法
[self doesNotRecognizeSelector:sel];
}
}
消息轉發的實現有兩種方式，第一種調用時候傳的是什么參數轉發的就是什么參數，第二種可以自定義參數值，你想要什么參數就傳什么參數。讓我們來看下兩種方式的打印結果
第一種方式
2020-09-06 11:36:44.051691+0800 RuntimeDemo[1377:38366] - forwardInvocation run
2020-09-06 11:36:44.052208+0800 RuntimeDemo[1377:38366] -[Person run]
2020-09-06 11:36:44.052624+0800 RuntimeDemo[1377:38366] - forwardInvocation run:
2020-09-06 11:36:44.052965+0800 RuntimeDemo[1377:38366] -[Person run:] slowly
2020-09-06 11:36:44.053331+0800 RuntimeDemo[1377:38366] + forwardInvocation walk
2020-09-06 11:36:44.053691+0800 RuntimeDemo[1377:38366] +[Person walk]
可以看到第四行這里打印的是slowly。
第二種方式
2020-09-06 11:43:33.036825+0800 RuntimeDemo[1404:40952] - forwardInvocation run
2020-09-06 11:43:33.037358+0800 RuntimeDemo[1404:40952] -[Person run]
2020-09-06 11:43:33.037811+0800 RuntimeDemo[1404:40952] - forwardInvocation run:
2020-09-06 11:43:33.038203+0800 RuntimeDemo[1404:40952] -[Person run:] fast
2020-09-06 11:43:33.039525+0800 RuntimeDemo[1404:40952] + forwardInvocation walk
2020-09-06 11:43:33.040117+0800 RuntimeDemo[1404:40952] +[Person walk]
可以看到第四行這里打印的是fast。
所以，可以根據實際開發中的需求來確定使用哪種方式。
