Runtime的特性主要是消息(方法)傳遞，如果消息(方法)在對象中找不到，就進行轉發，具體怎么實現的呢。我們從下面幾個方面探尋Runtime的實現機制。
- Runtime介紹
- Runtime消息傳遞
- Runtime消息轉發
Runtime介紹
Objective-C 擴展了 C 語言，并加入了面向對象特性和 Smalltalk 式的消息傳遞機制。而這個擴展的核心是一個用 C 和 編譯語言 寫的 Runtime 庫。它是 Objective-C 面向對象和動態機制的基石。
Objective-C 是一個動態語言，這意味著它不僅需要一個編譯器，也需要一個運行時系統來動態得到創建的類和對象、進行消息傳遞和轉發。理解 Objective-C 的 Runtime 機制可以幫我們更好的了解這個語言，適當的時候還能對語言進行擴展，從系統層面解決項目中的一些設計或技術問題。了解 Runtime ，要先了解它的核心 - 消息傳遞 （Messaging）。
Runtime其實有兩個版本: “modern” 和 “legacy”。我們現在用的 Objective-C 2.0 采用的是現行 (Modern) 版的 Runtime 系統，只能運行在 iOS 和 macOS 10.5 之后的 64 位程序中。而 macOS 較老的32位程序仍采用 Objective-C 1 中的（早期）Legacy 版本的 Runtime 系統。這兩個版本最大的區別在于當你更改一個類的實例變量的布局時，在早期版本中你需要重新編譯它的子類，而現行版就不需要。
Runtime 基本是用 C 和匯編寫的，可見蘋果為了動態系統的高效而作出的努力。你可以在這里下到蘋果維護的開源代碼。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。
平時的業務中主要是使用官方Api，解決我們框架性的需求。
高級編程語言想要成為可執行文件需要先編譯為匯編語言再匯編為機器語言，機器語言也是計算機能夠識別的唯一語言，但是OC并不能直接編譯為匯編語言，而是要先轉寫為純C語言再進行編譯和匯編的操作，從OC到C語言的過渡就是由runtime來實現的。然而我們使用OC進行面向對象開發，而C語言更多的是面向過程開發，這就需要將面向對象的類轉變為面向過程的結構體。
Runtime消息傳遞
一個對象的方法像這樣[obj foo]，編譯器轉成消息發送objc_msgSend(obj, foo)，Runtime時執行的流程是這樣的：
- 首先，通過
obj的isa指針找到它的class; - 在
class的method list找foo; - 如果
class中沒到foo，繼續往它的superclass中找 ; - 一旦找到
foo這個函數，就去執行它的實現IMP。
但這種實現有個問題，效率低。但一個class 往往只有 20% 的函數會被經常調用，可能占總調用次數的 80% 。每個消息都需要遍歷一次objc_method_list 并不合理。如果把經常被調用的函數緩存下來，那可以大大提高函數查詢的效率。這也就是objc_class 中另一個重要成員objc_cache 做的事情 - 在找到foo 之后，把foo 的method_name 作為key ，method_imp作為value 給緩存起來。當再次收到foo 消息的時候，可以直接在cache 里找到，避免去遍歷objc_method_list。從前面的源代碼可以看到objc_cache是存在objc_class 結構體中的。
objec_msgSend的方法定義如下：
OBJC_EXPORT id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)
那消息傳遞是怎么實現的呢？我們看看對象(object)，類(class)，方法(method)這幾個的結構體：
//對象
struct objc_object {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
//類
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;
//方法列表
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;
} OBJC2_UNAVAILABLE;
//方法
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE;
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;
}
- 系統首先找到消息的接收對象，然后通過對象的
isa找到它的類。 - 在它的類中查找
method_list，是否有selector方法。 - 沒有則查找父類的
method_list。 - 找到對應的
method，執行它的IMP。 - 轉發
IMP的return值。
下面講講消息傳遞用到的一些概念：
- 類對象(objc_class)
- 實例(objc_object)
- 元類(Meta Class)
- Method(objc_method)
- SEL(objc_selector)
- IMP
- 類緩存(objc_cache)
- Category(objc_category)
類對象(objc_class)
Objective-C類是由Class類型來表示的，它實際上是一個指向objc_class結構體的指針。
typedef struct objc_class *Class;
查看objc/runtime.h中objc_class結構體的定義如下：
struct objc_class {
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
Class _Nullable super_class OBJC2_UNAVAILABLE;
const char * _Nonnull name OBJC2_UNAVAILABLE;
long version OBJC2_UNAVAILABLE;
long info OBJC2_UNAVAILABLE;
long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_ivar_list * _Nullable ivars OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_cache * _Nonnull cache OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_protocol_list * _Nullable protocols OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_class結構體定義了很多變量，通過命名不難發現，
結構體里保存了指向父類的指針、類的名字、版本、實例大小、實例變量列表、方法列表、緩存、遵守的協議列表等，
一個類包含的信息也不就正是這些嗎？沒錯，類對象就是一個結構體struct objc_class，這個結構體存放的數據稱為元數據(metadata)，
該結構體的第一個成員變量也是isa指針，這就說明了Class本身其實也是一個對象，因此我們稱之為類對象，類對象在編譯期產生用于創建實例對象，是單例。
實例(objc_object)
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
類對象中的元數據存儲的都是如何創建一個實例的相關信息，那么類對象和類方法應該從哪里創建呢？
就是從isa指針指向的結構體創建，類對象的isa指針指向的我們稱之為元類(metaclass)，
元類中保存了創建類對象以及類方法所需的所有信息，因此整個結構應該如下圖所示:
元類(Meta Class)
通過上圖我們可以看出整個體系構成了一個自閉環，struct objc_object結構體實例它的isa指針指向類對象，
類對象的isa指針指向了元類，super_class指針指向了父類的類對象，
而元類的super_class指針指向了父類的元類，那元類的isa指針又指向了自己。
元類(Meta Class)是一個類對象的類。
在上面我們提到，所有的類自身也是一個對象，我們可以向這個對象發送消息(即調用類方法)。
為了調用類方法，這個類的isa指針必須指向一個包含這些類方法的一個objc_class結構體。這就引出了meta-class的概念，元類中保存了創建類對象以及類方法所需的所有信息。
任何NSObject繼承體系下的meta-class都使用NSObject的meta-class作為自己的所屬類，而基類的meta-class的isa指針是指向它自己。
Method(objc_method)
先看下定義
runtime.h
/// An opaque type that represents a method in a class definition.代表類定義中一個方法的不透明類型
typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE;
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;
Method和我們平時理解的函數是一致的，就是表示能夠獨立完成一個功能的一段代碼，比如：
- (void)logName
{
NSLog(@"name");
}
這段代碼，就是一個函數。
我們來看下objc_method這個結構體的內容：
- SEL method_name 方法名
- char *method_types 方法類型
- IMP method_imp 方法實現
在這個結構體重，我們已經看到了SEL和IMP，說明SEL和IMP其實都是Method的屬性。
我們接著來看SEL。
SEL(objc_selector)
先看下定義
Objc.h
/// An opaque type that represents a method selector.代表一個方法的不透明類型
typedef struct objc_selector *SEL;
objc_msgSend函數第二個參數類型為SEL，它是selector在Objective-C中的表示類型（Swift中是Selector類）。selector是方法選擇器，可以理解為區分方法的 ID，而這個 ID 的數據結構是SEL:
@property SEL selector;
可以看到selector是SEL的一個實例。
A method selector is a C string that has been registered (or “mapped“) with the Objective-C runtime. Selectors generated by the compiler are automatically mapped by the runtime when the class is loaded.
其實selector就是個映射到方法的C字符串，你可以用 Objective-C 編譯器命令@selector()或者 Runtime 系統的sel_registerName函數來獲得一個 SEL 類型的方法選擇器。
selector既然是一個string，我覺得應該是類似className+method的組合，命名規則有兩條：
- 同一個類，selector不能重復
- 不同的類，selector可以重復
這也帶來了一個弊端，我們在寫C代碼的時候，經常會用到函數重載，就是函數名相同，參數不同，但是這在Objective-C中是行不通的，因為selector只記了method的name，沒有參數，所以沒法區分不同的method。
比如：
- (void)caculate(NSInteger)num;
- (void)caculate(CGFloat)num;
是會報錯的。
我們只能通過命名來區別：
- (void)caculateWithInt(NSInteger)num;
- (void)caculateWithFloat(CGFloat)num;
在不同類中相同名字的方法所對應的方法選擇器是相同的，即使方法名字相同而變量類型不同也會導致它們具有相同的方法選擇器。
IMP
看下IMP的定義
/// A pointer to the function of a method implementation. 指向一個方法實現的指針
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);
#endif
就是指向最終實現程序的內存地址的指針。
在iOS的Runtime中，Method通過selector和IMP兩個屬性，實現了快速查詢方法及實現，相對提高了性能，又保持了靈活性。
類緩存(objc_cache)
當Objective-C運行時通過跟蹤它的isa指針檢查對象時，它可以找到一個實現許多方法的對象。然而，你可能只調用它們的一小部分，并且每次查找時，搜索所有選擇器的類分派表沒有意義。所以類實現一個緩存，每當你搜索一個類分派表，并找到相應的選擇器，它把它放入它的緩存。所以當objc_msgSend查找一個類的選擇器，它首先搜索類緩存。這是基于這樣的理論：如果你在類上調用一個消息，你可能以后再次調用該消息。
為了加速消息分發， 系統會對方法和對應的地址進行緩存，就放在上述的objc_cache，所以在實際運行中，大部分常用的方法都是會被緩存起來的，Runtime系統實際上非常快，接近直接執行內存地址的程序速度。
Category(objc_category)
Category是表示一個指向分類的結構體的指針，其定義如下：
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;
};
name：是指 class_name 而不是 category_name。
cls：要擴展的類對象，編譯期間是不會定義的，而是在Runtime階段通過name對 應到對應的類對象。
instanceMethods：category中所有給類添加的實例方法的列表。
classMethods：category中所有添加的類方法的列表。
protocols：category實現的所有協議的列表。
instanceProperties：表示Category里所有的properties，這就是我們可以通過objc_setAssociatedObject和objc_getAssociatedObject增加實例變量的原因，不過這個和一般的實例變量是不一樣的。
從上面的category_t的結構體中可以看出，分類中可以添加實例方法，類方法，甚至可以實現協議，添加屬性，不可以添加成員變量。
Runtime消息轉發
前文介紹了進行一次發送消息會在相關的類對象中搜索方法列表，如果找不到則會沿著繼承樹向上一直搜索知道繼承樹根部（通常為NSObject），如果還是找不到并且消息轉發都失敗了就回執行doesNotRecognizeSelector:方法報unrecognized selector錯。那么消息轉發到底是什么呢？接下來將會逐一介紹最后的三次機會。
- 動態方法解析
- 備用接收者
- 完整消息轉發
動態方法解析
首先，Objective-C運行時會調用 +resolveInstanceMethod:或者 +resolveClassMethod:，讓你有機會提供一個函數實現。如果你添加了函數并返回YES， 那運行時系統就會重新啟動一次消息發送的過程。
實現一個動態方法解析的例子如下：
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
//執行foo函數
[self performSelector:@selector(foo:)];
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
if (sel == @selector(foo:)) {//如果是執行foo函數，就動態解析，指定新的IMP
class_addMethod([self class], sel, (IMP)fooMethod, "v@:");
return YES;
}
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
void fooMethod(id obj, SEL _cmd) {
NSLog(@"Doing foo");//新的foo函數
}
打印結果：
2018-04-01 12:23:35.952670+0800 ocram[87546:23235469] Doing foo
可以看到雖然沒有實現foo:這個函數，但是我們通過class_addMethod動態添加fooMethod函數，并執行fooMethod這個函數的IMP。從打印結果看，成功實現了。
如果resolve方法返回 NO ，運行時就會移到下一步：forwardingTargetForSelector。
備用接收者
如果目標對象實現了-forwardingTargetForSelector:，Runtime 這時就會調用這個方法，給你把這個消息轉發給其他對象的機會。
實現一個備用接收者的例子如下：
#import "ViewController.h"
#import "objc/runtime.h"
@interface Person: NSObject
@end
@implementation Person
- (void)foo {
NSLog(@"Doing foo");//Person的foo函數
}
@end
@interface ViewController ()
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
//執行foo函數
[self performSelector:@selector(foo)];
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
return YES;//返回YES，進入下一步轉發
}
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
if (aSelector == @selector(foo)) {
return [Person new];//返回Person對象，讓Person對象接收這個消息
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
@end
打印結果：
2018-04-01 12:45:04.757929+0800 ocram[88023:23260346] Doing foo
可以看到我們通過forwardingTargetForSelector把當前ViewController的方法轉發給了Person去執行了。打印結果也證明我們成功實現了轉發。
完整消息轉發
如果在上一步還不能處理未知消息，則唯一能做的就是啟用完整的消息轉發機制了。
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nil ，Runtime則會發出 -doesNotRecognizeSelector: 消息，程序這時也就掛掉了。如果返回了一個函數簽名，Runtime就會創建一個NSInvocation 對象并發送 -forwardInvocation:消息給目標對象。
實現一個完整轉發的例子如下：
#import "ViewController.h"
#import "objc/runtime.h"
@interface Person: NSObject
@end
@implementation Person
- (void)foo {
NSLog(@"Doing foo");//Person的foo函數
}
@end
@interface ViewController ()
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
//執行foo函數
[self performSelector:@selector(foo)];
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
return YES;//返回YES，進入下一步轉發
}
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
return nil;//返回nil，進入下一步轉發
}
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"foo"]) {
return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];//簽名，進入forwardInvocation
}
return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
SEL sel = anInvocation.selector;
Person *p = [Person new];
if([p respondsToSelector:sel]) {
[anInvocation invokeWithTarget:p];
}
else {
[self doesNotRecognizeSelector:sel];
}
}
@end
打印結果：
2018-04-01 13:00:45.423385+0800 ocram[88353:23279961] Doing foo
從打印結果來看，我們實現了完整的轉發。通過簽名，Runtime生成了一個對象anInvocation，發送給了forwardInvocation，我們在forwardInvocation方法里面讓Person對象去執行了foo函數。簽名參數v@:怎么解釋呢，這里蘋果文檔Type Encodings有詳細的解釋。
以上就是Runtime的三次轉發流程。
