何為Object C Runtime
我們知道，Object C是 C語言的擴展，加入瞭面向對象的概念。
同時，Object C也是一種動態語言，所謂“動態”，是指該語言所編寫程序的最終的結構（如類的定義，對象的創建，方法的實現等），是在程序運行時動態的決定的。而靜態語言，則在程序的編譯期，就已經固定瞭程序的結構（如C++）。
換句話說，動態語言將靜態語言在編譯期所幹的一部分事情，延後到程序運行期來做。這樣就為我們提供瞭一種機會——可以在程序運行期“動態”的修改類的定義或方法的實現（Object C的黑魔法）。
同時，這也要求Object C除瞭編譯器外，還需要一種能夠在運行時對該語言進行動態解析的機制，這套動態解析機制就是我們所說的——Object C Runtime。Runtime是由C和編譯語言實現的。
與Runtime交互
理解瞭何為Runtime，那麼在平時編程中，如何與Object-C的Runtime進行交互呢？
Apple官方給出瞭如下三個途徑：
Object-C源碼
當我們在編譯OC中的class與method時, Object-C編譯器會在編譯階段對我們的源碼進行“改寫”，來對應生成具有動態特性的struct和方法調用（由於OC是基於C語言的，這些改寫後的代碼，也是C代碼，“喪失”瞭面向對象的表征，但是OC卻基於C實現面向對象的功能）。
經過改寫後的OC源碼，每一個class會對應一個C語言中的struct，該struct記錄瞭class中的各種信息：包括類定義（方法聲明，屬性），Category， protocol聲明等等。
同時，對於每一個類實例的method調用，均會改為Runtime方法的調用——objc_msgSend系列函數。該函數是OC實現method調用動態性，面向對象多態的基礎。在本文稍後將會對其進行討論。
NSObject方法
NSObject作為OC中絕大多數類的基類，在其中定義瞭若幹能夠與Runtime交互的函數，這樣子類也同樣的繼承瞭這些函數並有默認的實現。
如當一個類對象需要知道我是誰，我能做什麼時，可以調用：
description， isKindOfClass，isMemberOfClass，respondsToSelector，conformsToProtocol，methodForSelector等方法向Runtime系統索要相關信息。（註意上面說到，OC class會被改寫為支持動態特性的struct，而這些信息，應該是Runtime在那個struct中獲取的）
Runtime函數
與Runtime交互最直接的方式，就是調用Runtime函數瞭。Object-C中的Runtime函數是以動態庫的形式提供的，它被包含在目錄
/usr/include/objc
多數Runtime函數，會在編譯期，有編譯期為我們自動進行代碼”改寫”（將OC代碼改寫為Runtime代碼，函數）。同時NSObjcet類中，也提供瞭若幹Runtime函數。
對於Runtime函數，我們平常用到的很少，在後面的章節中，我會挑選若幹進行總結。
Object C 的NSObject類
在OC中，基本所有的類（NSProxy除外）均有一個共同的父類——NSObject。該類中定義的一切屬性和方法，均有其子類繼承。
可以說NSObject類為OC中所有的類定義瞭基本的實現和模板。
為瞭支持OC的動態特性，在NSObject定義瞭Class變量。
同時，NSObject提供瞭若幹與Runtime交互的接口方法。
我們的Runtime之旅，也就先從NSObject開始吧。
我們先來看NSObject類的聲明：
@interface NSObject {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}
Class isa 是NSObject唯一的成員變量，同時也被每一個子類所繼承。isa是一個Class類型（實際上是一個objc_class結構體指針類型），他記錄並保存瞭當前類的若幹信息，同時還可以通過isa向上回溯到其父類，爺爺類，祖爺爺類…
OC中也以Class類型來表示一個類類型。
Class類型的定義如下（usr/include/objc/objc.h(該文件裡還有OC對象類型定義，id類型定義等有興趣可以看一下)）：
/// An opaque type that represents an Objective-C class. typedef struct objc_class *Class;
usr/include/objc/runtime.h
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;
上面的定義中，可見多數成員變量已經被標記為不可用瞭。仍然可用的，似乎隻有
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
Apple可能會在更新中，更改objc_class的實現，因此我們再去深究其定義，也沒有多大意義。
在這裡，我們隻需要知道幾點：
每一個Object-C 類，均含有一個Class類型的isa成員記錄瞭該類的必要信息。對應到類的實例，其內存分配中第一個成員，便是isa實例。反過來說，如果一個定義中含有Class類型isa成員，那麼該定義在Object-C中被當做類（或類的實例）處理。（isa是定義為類類型的充分必要條件） 對於Class類型，雖然是不透明的，因為其記錄瞭當前類的必要信息。我們仍可以猜測到：
Class中可以找到父類的Class 通過Class可以找到當前類的method列表 為瞭提高method調用效率，通過Class可以找到method cache表 通過Class中可以找到當前類中定義的變量，協議及分類信息。
objc_msgSend， Object-C的消息調用機制
在Object-C中，一切的方法調用，都是基於動態消息調用的。讓我們來看一看其具體實現。
objc_msgSend
當Object-C在編譯時，會將所有的類實例方法調用（在OC中，類本身也是一種類(meta-class)的實例），改寫為objc_msgSend方法（如果是直接調用super方法，則會改寫為objc_msgSendSuper, 另外還有兩個stret版本，大同小異，不做細究）。
objc_msgSend定義如下：
id objc_msgSend(id self, SEL op, ...);
第一個參數為指向方法調用的類對象指針。
第二個參數為所調用的selector
後面的‘…’ 為 所調用方法的參數列表
這樣，OC中一個方法調用
[receiver message];
被改寫為：
objc_msgSend(receiver, selector);
如果message還要接受參數，則改寫為
objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)
objc_msgSend實現瞭方法動態綁定的一切必要操作：
尋找selector的對應實現，並調用之。（這個尋找的過程是動態的，我們可以在上面做點小文章） 向selector的實現傳遞receiver和參數。 將selector的返回值作為其自身objc_msgSend的返回值。
這裡的重點在於第一步，objc_msgSend方法是如何動態的找到selector的具體實現的。
之前我們知道，對於每一個Object-C 類，編譯器均會將其改寫為包含Class isa成員的結構體。而對於Object-C類實例，當其創建時，系同會為其分配內存及初始化各成員變量，而其成員變量的第一個變量，就是isa變量。isa是一個指針，指向當前類實例說對應的objc_class結構體，由於其對應於每一個class不同的定義，我們在這裡稱之為class struct。selector的動態實現，正是基於isa所指向的class struct的。
根據Apple的文檔，class struct中包含兩條重要信息：
1. 指向superclass的指針
2. 當前類的dispatch table。dispatch table中存儲瞭當前類中定義的所有方法的地址及其對應的selector。（類似於 selector:函數指針 的table結構）
根據上面兩條信息，objc_msgSend就能夠進行方法的動態綁定。步驟如下：
objc_msgSend函數根據當前對象的isa，找到其對應的class struct。在的class struct中，搜索dispatch table，是否含有對應的method selector。 如果找到，就根據method selector對應的函數地址，調用函數並傳遞參數，最終返回結果。 如果在當前的class struct的dispatch table中沒有找到，則根據class struct中的super class指針，繼續在其super class的dispatch table中尋找是否有對應的method selector實現。
如此遞歸實現，直到root class NSObject。
這一過程，如下圖所示：
這就是Runtime對於方法的動態綁定過程。
同時，為瞭提高selectZ喎?/kf/ware/vc/” target=”_blank” class=”keylink”>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″selfcmd”>self，_cmd
上面說瞭method的動態綁定過程。
我們註意到，當方法被編譯器轉換成objc_msgSend函數後，除瞭方法必須的參數，objc_msgSend還會接收兩個特殊的參數：receiver 與 selector。
objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)
receiver 表示當前方法調用的類實例對象。
selector則表示當前方法所對應的selector。
這兩個參數是編譯器自動填充的，我們在調用方法時，不必在源代碼中顯示傳入，因此可以被看做是“隱式參數”。
如果想要在source code中獲取這兩個參數，則可以用self(當前類實例對象)和_cmd（當前調用方法的selector）來表示。在AFNetWorking源碼中有這麼一段
- (NSArray *)tasks {
return [self tasksForKeyPath:NSStringFromSelector(_cmd)];
}
- (NSArray *)dataTasks {
return [self tasksForKeyPath:NSStringFromSelector(_cmd)];
}
- (NSArray *)uploadTasks {
return [self tasksForKeyPath:NSStringFromSelector(_cmd)];
}
- (NSArray *)downloadTasks {
return [self tasksForKeyPath:NSStringFromSelector(_cmd)];
}
- (NSArray *)tasksForKeyPath:(NSString *)keyPath {
...
[self.session getTasksWithCompletionHandler:^(NSArray *dataTasks, NSArray *uploadTasks, NSArray *downloadTasks) {
if ([keyPath isEqualToString:NSStringFromSelector(@selector(dataTasks))]) {
tasks = dataTasks;
} else if ([keyPath isEqualToString:NSStringFromSelector(@selector(uploadTasks))]) {
tasks = uploadTasks;
} else if ([keyPath isEqualToString:NSStringFromSelector(@selector(downloadTasks))]) {
tasks = downloadTasks;
} else if ([keyPath isEqualToString:NSStringFromSelector(@selector(tasks))]) {
tasks = [@[dataTasks, uploadTasks, downloadTasks] valueForKeyPath:@"@unionOfArrays.self"];
}
...
}];
...
}
將_cmd作keyPath， 由於對於不同的方法調用，對應的_cmd也不同，因此能夠將其作為key來獲取不同種類的tasks。
- (NSArray *)tasksForKeyPath:(NSString *)keyPath
來點黑魔法，方法的動態解析與message轉發
在Objective-C中，當我們調用類的實例或類中未定義方法時，通常會引發
unrecognized selector sent to… 異常，程序掛掉。
但是在runtime拋出異常之前，根據下面的文章：
glowing Objective C Runtime
它還會給你三次挽救的機會，包括“動態”的將方法添加到當前類實例（或類）中，將方法轉發給其他實例（類）。
這三次機會依次為：（Runtime會依次嘗試執行下面的機會，如果某個機會已經解決當前的‘困境’，則不會繼續向下執行）
Dynamic Method resolution Fast forwarding Normal forwarding
Dynamic Method resolution
當Runtime發現當前函數未定義時，首先會通過動態方法解析的方式，來嘗試尋找函數定義。
具體則為調用下面兩個函數之一：
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel; \\ 類實例方法 + (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel; \\ 類方法
這兩個函數允許我們將函數動態的添加到類中。
Objective-C中的方法，實際上是至少接受兩個參數self，_cmd的C函數。
要實現動態添加方法到類中，則需要我們在resolveInstanceMethodresol \ resolveClassMethod 中通過Runtime方法
BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types);
將對應的C函數添加到class中，同時，返回YES。
示例：
void dynamicMethodIMP(id self, SEL _cmd)
{
// implementation ....
}
+ (BOOL) resolveInstanceMethod:(SEL)aSEL
{
if (aSEL == @selector(resolveThisMethodDynamically))
{
class_addMethod([self class], aSEL, (IMP) dynamicMethodIMP, "v@:");
return YES;
}
return [super resolveInstanceMethod:aSel];
}
討論
這種動態方法解析的作用在哪裡呢？既然仍需要提供方法實現，那直接在類中寫就好瞭啊？
在Objective-C的property特性中有一個關鍵字
@dynamic @dynamic propertyName;
@dynamic關鍵字告訴編譯器，property的相關方法會在運行時動態的提供。（註意到NSManagedObject的所有屬性均為@dynamic修飾）。
現在唯一想到的好處就是，方法實現能夠根據當時的系統狀態，動態的改變。
那是否有還有其他應用場景呢？
Fast message forwarding
當Runtime發現當前對象沒有實現selector時，會先調用resolveMethod，來動態解析當前的selector。如果resolveMethod沒有將SEL implement 添加到class中（無論其返回YES或NO）。則會繼續調用函數
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
將aSelector轉發至該函數返回的對象。
Message forwarding
如果前面兩個方法都沒有解決selector 的解析，iOS系統在向runtime拋出異常前，還會再給我們最後一個機會，那就是調用
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
該函數僅接收一個NSInvocation參數，他封裝包含瞭調用信息與參數。在NSObject類中默認實現，但僅僅會調用doesNotRecognizeSelector:，導致拋出異常。子類可以重寫該方法。
顧名思義，該函數主要用來將發給對象的函數forward給其他對象。但在系統真正調用forwardInvocation函數前，由於該方法接受一個參數anInvocation，因此系統必須知道要解析的selector的簽名來組裝NSInvocation參數。所以，會調用方法 methodSignatureForSelector來返回一個selector signature，並放入NSInvocation中作為參數傳遞給forwardInvocation函數。
因此，使用forwardInvocation來轉發消息，需要下面兩個函數配合使用：
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector - (void) forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
由於其用NSInvocation封裝瞭方法調用，其使用也很簡單。流程如下：
代碼示例如下：
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector
{
if (aSelector == @selector(doMyHeavyThing)) {
return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
}else
{
return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}
}
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
{
if ([someOtherObject respondsToSelector:
[anInvocation selector]])
[anInvocation invokeWithTarget:someOtherObject];
else
[super forwardInvocation:anInvocation];
}
對於message forward的過程，下面的圖很好的做出瞭詮釋：
forwarding與繼承，代理
forwarding的實現，實際上是“借用”瞭其他類的方法實現。或者說是“繼承”瞭其他類的方法實現。在這一點上，可以說是繼承的一種實現方式，同時又不會因為繼承而產生臃腫的對象。
同時，根據Apple的文檔說法，forwarding也可以用來實現代理模式。及用一個輕量級的類，在程序中起到基本的做用於占位符。僅當必要時，輕量級的類才會將方法轉發給重量級類，重量級類才會被加載到內存中，從而實現瞭懶加載。
更“真實”的forwarding
forwarding可以用來模擬類的繼承，但是你卻無法做的更逼真。
當調用respondsToSelector: 和 isKindOfClass:方法時，調用的是NSObject的默認實現，會返回真實的值，而非forwarding的實現。
因此，為瞭能夠在程序中做到更真實的模擬繼承，則需要我們重寫如下函數：
respondsToSelector: isKindOfClass: instancesRespondToSelector: conformsToProtocol: methodSignatureForSelector:
總結
在本章中，我們瞭解瞭什麼是runtime，並探討瞭Class數據類型及變量isa。同時，利用isa變量，Objective-C實現瞭消息傳遞。
當前對象沒有對應的消息實現時，系統則會依次調用
（1）resolveInstance（class）Method 動態方法解析
（2）forwardingTargetForSelector （消息轉發）
（3）forwardInvocation（消息轉發）
來讓用戶在運行時提供消息的實現，如果這三次機會均沒有返回恰當的結果，則會拋出unrecognized selector異常。
在下一篇Runtime解析中，我們會對NSObject類中關於Runtime的函數做相應的解析。