iOS 運行時 – iPhone手機開發 iPhone軟體開發教學課程

一、什麼是運行時(Runtime)?

運行時是蘋果提供的純C語言的開發庫(運行時是開發中經常用到的底層技術)

二、運行時的作用?

能獲得某個類的所有成員變量能獲得某個類的所有屬性能獲得某個類的所有方法交換方法實現能動態添加一個成員變量能動態添加一個屬性能動態添加一個方法

三、案例:運行時獲取成員變量名稱

1、分析

#import 
#import "CKPerson.h"
#import 

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 成員變量的數量
        unsigned int outCount = 0;

        // 獲得所有的成員變量
        // ivars是一個指向成員變量的指針
        // ivars默認指向第0個成員變量
        Ivar *ivars = class_copyIvarList([XMGPerson class], &outCount);

        // 遍歷所有的成員變量
        for (int i = 0; i

2、獲取UITextFiled成員變量的名稱

 // 成員變量的數量
    unsigned int outCount = 0;

    // 獲得所有的成員變量
    Ivar *ivars = class_copyIvarList([UITextField class], &outCount);

    // 遍歷所有的成員變量
    for (int i = 0; i

四、iOS底層

1、The Runtime 簡單介紹

Objective-C是一門簡單的語言,95%是C。隻是在語言層面上加瞭些關鍵字和語法。真正讓Objective-C如此強大的是它的運行時。它很小但卻很強大。它的核心是消息分發。

Messages

執行一個方法,有些語言,編譯器會執行一些額外的優化和錯誤檢查,因為調用關系很直接也很明顯。但對於消息分發來說,就不那麼明顯瞭。在發消息前不必知道某個對象是否能夠處理消息。你把消息發給它,它可能會處理,也可能轉給其他的Object來處理。一個消息不必對應一個方法,一個對象可能實現一個方法來處理多條消息。 在Objective-C中,消息是通過objc_msgSend()這個runtime方法及相近的方法來實現的。這個方法需要一個target,selector,還有一些參數。理論上來說,編譯器隻是把消息分發變成objc_msgSend來執行。比如下面這兩行代碼是等價的。

[array insertObject:foo atIndex:5];
objc_msgSend(array, @selector(insertObject:atIndex:), foo, 5);

Objects, Classes, MetaClasses

大多數面向對象的語言裡有 classes 和 objects 的概念。Objects通過Classes生成。但是在Objective-C中,classes本身也是objects,也可以處理消息,這也是為什麼會有類方法和實例方法。具體來說,Objective-C中的Object是一個結構體(struct),第一個成員是isa,指向自己的class。這是在objc/objc.h中定義的。

typedef struct objc_object {
    Class isa;
} *id;

object的class保存瞭方法列表,還有指向父類的指針。但classes也是objects,也會有isa變量,那麼它又指向哪兒呢?這裡就引出瞭第三個類型: metaclasses。一個 metaclass被指向class,class被指向object。它保存瞭所有實現的方法列表,以及父類的metaclass。如果想更清楚地瞭解objects,classes以及metaclasses是如何一起工作地,可以閱讀這篇文章。

Methods, Selectors and IMPs

我們知道瞭運行時會發消息給對象。我們也知道一個對象的class保存瞭方法列表。那麼這些消息是如何映射到方法的,這些方法又是如何被執行的呢?

第一個問題的答案很簡單。class的方法列表其實是一個字典,key為selectors,IMPs為value。一個IMP是指向方法在內存中的實現。很重要的一點是,selector和IMP之間的關系是在運行時才決定的,而不是編譯時。這樣我們就能玩出些花樣。

IMP通常是指向方法的指針,第一個參數是self,類型為id,第二個參數是_cmd,類型為SEL,餘下的是方法的參數。這也是self和_cmd被定義的地方。下面演示瞭Method和IMP

- (id)doSomethingWithInt:(int)aInt{}

id doSomethingWithInt(id self, SEL _cmd, int aInt){}

現在我們知道瞭objects,classes,selectors,IMPs以及消息分發,那麼運行時到底能做什麼呢?

運行時到底能做什麼呢?

作用:

創建、修改、自省classes和objects消息分發

之前已經提過消息分發,不過這隻是一小部分功能。所有的運行時方法都有特定的前綴。下面是一些有意思的方法:

class

class開頭的方法是用來修改和自省classes。方法如: 能拿到一個class的所有內容

class_addIvar, class_addMethod, class_addProperty和class_addProtocol允許重建classes。class_copyIvarList, class_copyMethodList, class_copyProtocolList和class_copyPropertyList

返回單個內容

class_getClassMethod, class_getClassVariable, class_getInstanceMethod, class_getInstanceVariable, class_getMethodImplementation和class_getProperty

一些通用的自省方法

class_conformsToProtocol, class_respondsToSelector, class_getSuperclass

創建一個object

class_createInstance來創建一個object

ivar

這些方法能讓你得到名字,內存地址和Objective-C type encoding。

method

這些方法主要用來自省,比如:

method_getName, method_getImplementation, method_getReturnType等等

也有一些修改的方法,包括:

method_setImplementation和method_exchangeImplementations

objc

一旦拿到瞭object,你就可以對它做一些自省和修改。你可以get/set ivar, 使用object_copy和object_dispose來copy和free object的內存。不僅是拿到一個class,而是可以使用object_setClass來改變一個object的class。

property

屬性保存瞭很大一部分信息。除瞭拿到名字,你還可以使用property_getAttributes來發現property的更多信息,如返回值、是否為atomic、getter/setter名字、是否為dynamic、背後使用的ivar名字、是否為弱引用。

protocol

Protocols有點像classes,但是精簡版的,運行時的方法是一樣的。你可以獲取method, property, protocol列表, 檢查是否實現瞭其他的protocol。

sel

最後我們有一些方法可以處理 selectors,比如獲取名字,註冊一個selector等等。

2、運行時能幹什麼?(舉例)

2.1 Classes And Selectors From Strings

比較基礎的一個動態特性是通過String來生成Classes和Selectors。Cocoa提供瞭NSClassFromString和NSSelectorFromString方法,使用起來很簡單:

Class stringclass = NSClassFromString(@"NSString")

於是我們就得到瞭一個string class。接下來:

NSString *myString = [stringclass stringWithString:@"Hello World"];

為什麼要這麼做呢?直接使用Class不是更方便?通常情況下是,但有些場景下這個方法會很有用。首先,可以得知是否存在某個class,NSClassFromString 會返回nil,如果運行時不存在該class的話。

另一個使用場景是根據不同的輸入返回不同的class或method。比如你在解析一些數據,每個數據項都有要解析的字符串以及自身的類型(String,Number,Array)。你可以在一個方法裡搞定這些,也可以使用多個方法。其中一個方法是獲取type,然後使用if來調用匹配的方法。另一種是根據type來生成一個selector,然後調用之。以下是兩種實現方式:

- (void)parseObject:(id)object {
    for (id data in object) {
        if ([[data type] isEqualToString:@"String"]) {
            [self parseString:[data value]];
        } else if ([[data type] isEqualToString:@"Number"]) {
            [self parseNumber:[data value]];
        } else if ([[data type] isEqualToString:@"Array"]) {
            [self parseArray:[data value]];
        }
    }
}
- (void)parseObjectDynamic:(id)object {
    for (id data in object) {
        [self performSelector:NSSelectorFromString([NSString stringWithFormat:@"parse%@:", [data type]]) withObject:[data value]];
    }
}
- (void)parseString:(NSString *)aString {}
- (void)parseNumber:(NSString *)aNumber {}
- (void)parseArray:(NSString *)aArray {}

可一看到,你可以把7行帶if的代碼變成1行。將來如果有新的類型,隻需增加實現方法即可,而不用再去添加新的 else if。

2.2 Method Swizzling

之前我們講過,方法由兩個部分組成。Selector相當於一個方法的id;IMP是方法的實現。這樣分開的一個便利之處是selector和IMP之間的對應關系可以被改變。比如一個 IMP 可以有多個 selectors 指向它。

而 Method Swizzling 可以交換兩個方法的實現。或許你會問“什麼情況下會需要這個呢?”。我們先來看下Objective-C中,兩種擴展class的途徑。首先是 subclassing。你可以重寫某個方法,調用父類的實現,這也意味著你必須使用這個subclass的實例,但如果繼承瞭某個Cocoa class,而Cocoa又返回瞭原先的class(比如 NSArray)。這種情況下,你會想添加一個方法到NSArray,也就是使用Category。99%的情況下這是OK的,但如果你重寫瞭某個方法,就沒有機會再調用原先的實現瞭。

Method Swizzling 可以搞定這個問題。你可以重寫某個方法而不用繼承,同時還可以調用原先的實現。通常的做法是在category中添加一個方法(當然也可以是一個全新的class)。可以通過method_exchangeImplementations這個運行時方法來交換實現。來看一個demo,這個demo演示瞭如何重寫addObject:方法來紀錄每一個新添加的對象。

#import  

@interface NSMutableArray (LoggingAddObject)
- (void)logAddObject:(id)aObject;
@end

@implementation NSMutableArray (LoggingAddObject)

+ (void)load {
    Method addobject = class_getInstanceMethod(self, @selector(addObject:));
    Method logAddobject = class_getInstanceMethod(self, @selector(logAddObject:));
    method_exchangeImplementations(addObject, logAddObject);

}

- (void)logAddObject:(id)aobject {
    [self logAddObject:aObject];
    NSLog(@"Added object %@ to array %@", aObject, self);
}

@end

我們把方法交換放到瞭load中,這個方法隻會被調用一次,而且是運行時載入。如果指向臨時用一下,可以放到別的地方。註意到一個很明顯的遞歸調用logAddObject:。這也是Method Swizzling容易把我們搞混的地方,因為我們已經交換瞭方法的實現,所以其實調用的是addObject:

動態繼承、交換

我們可以在運行時創建新的class,這個特性用得不多,但其實它還是很強大的。你能通過它創建新的子類,並添加新的方法。

但這樣的一個子類有什麼用呢?別忘瞭Objective-C的一個關鍵點:object內部有一個叫做isa的變量指向它的class。這個變量可以被改變,而不需要重新創建。然後就可以添加新的ivar和方法瞭。可以通過以下命令來修改一個object的class.

object_setClass(myObject, [MySubclass class]);

這可以用在Key Value Observing。當你開始observing an object時,Cocoa會創建這個object的class的subclass,然後將這個object的isa指向新創建的subclass。

動態方法處理

目前為止,我們討論瞭方法交換,以及已有方法的處理。那麼當你發送瞭一個object無法處理的消息時會發生什麼呢?很明顯,"it breaks"。大多數情況下確實如此,但Cocoa和runtime也提供瞭一些應對方法。

首先是動態方法處理。通常來說,處理一個方法,運行時尋找匹配的selector然後執行之。有時,你隻想在運行時才創建某個方法,比如有些信息隻有在運行時才能得到。要實現這個效果,你需要重寫+resolveInstanceMethod: 和/或 +resolveClassMethod:。如果確實增加瞭一個方法,記得返回YES。

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(myDynamicMethod)) {
        class_addMethod(self, aSelector, (IMP)myDynamicIMP, "v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:aSelector];
}

那Cocoa在什麼場景下會使用這些方法呢?Core Data用得很多。NSManagedObjects有許多在運行時添加的屬性用來處理get/set屬性和關系。那如果Model在運行時被改變瞭呢?

消息轉發

如果 resolve method 返回NO,運行時就進入下一步驟:消息轉發。有兩種常見用例。1) 將消息轉發到另一個可以處理該消息的object。2) 將多個消息轉發到同一個方法。

消息轉發分兩步。首先,運行時調用-forwardingTargetForSelector:,如果隻是想把消息發送到另一個object,那麼就使用這個方法,因為更高效。如果想要修改消息,那麼就要使用-forwardInvocation:,運行時將消息打包成NSInvocation,然後返回給你處理。處理完之後,調用invokeWithTarget:。

Cocoa有幾處地方用到瞭消息轉發,主要的兩個地方是代理(Proxies)和響應鏈(Responder Chain)。NSProxy是一個輕量級的class,它的作用就是轉發消息到另一個object。如果想要惰性加載object的某個屬性會很有用。NSUndoManager也有用到,不過是截取消息,之後再執行,而不是轉發到其他的地方。

響應鏈是關於Cocoa如何處理與發送事件與行為到對應的對象。比如說,使用Cmd+C執行瞭copy命令,會發送-copy:到響應鏈。首先是First Responder,通常是當前的UI。如果沒有處理該消息,則轉發到下一個-nextResponder。這麼一直下去直到找到能夠處理該消息的object,或者沒有找到,報錯。

使用Block作為Method IMP

iOS 4.3帶來瞭很多新的runtime方法。除瞭對properties和protocols的加強,還帶來一組新的以 imp 開頭的方法。通常一個 IMP 是一個指向方法實現的指針,頭兩個參數為 object(self)和selector(_cmd)。iOS 4.0和Mac OS X 10.6 帶來瞭block,imp_implementationWithBlock() 能讓我們使用block作為 IMP,下面這個代碼片段展示瞭如何使用block來添加新的方法。

IMP myIMP = imp_implementationWithBlock(^(id _self, NSString *string) {
    NSLog(@"Hello %@", string);
});
class_addMethod([MYclass class], @selector(sayHello:), myIMP, "v@:@");

可以看到,Objective-C 表面看起來挺簡單,但還是很靈活的,可以帶來很多可能性。動態語言的優勢在於在不擴展語言本身的情況下做很多很靈巧的事情。比如Key Value Observing,提供瞭優雅的API可以與已有的代碼無縫結合,而不需要新增語言級別的特性。

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