iOS之Runtime原理解读
Runtime简介
做过Android开发的同学都知道，早期的Android系统采用的是Dalvik机制，应用每次运行的时候，字节码都需要通过即时编译器转换为机器码，大大的降低了app的运行效率。在Android 5.0系统之后，系统采用了ART机制，应用在第一次安装的时候，字节码就会预先编译成机器码，以后每次运行速度大大的提高了。
OC是一门动态语言，所以它总是想办法把一些决定工作从编译推迟到运行时，也就是说在iOS的编译系统里，光有编译器是不够的，还需要一个运行时系统 (runtime system) 来执行编译后的工作。
iOS系统采用的就是Runtime机制。对于C语言，函数的调用在编译的时候会决定调用哪个函数。对于OC函数来说，在编译的时候并不能决定真正调用哪个函数，只有在真正运行的时候才会根据函数的名称找到对应的函数来调用。
基本结构
要谈Runtime机制，必然要先了解OC的对象以及类的结构。首先我们看一下和Runtime相关的头文件。
和运行时相关的头文件，其中主要使用的函数定义在message.h和runtime.h这两个文件中。在message.h中主要包含了一些向对象发送消息的函数，这是OC对象方法调用的底层实现。使用时只需要导入头文件即可。
#import <objc/message.h>
#import <objc/runtime.h>runtime.h是运行时最重要的文件，其中包含了对运行时进行操作的方法。 主要包括：
操作对象的类型的定义
/// An opaque type that represents a method in a class definition. 一个类型，代表着类定义中的一个方法
typedef struct objc_method *Method;
/// An opaque type that represents an instance variable.代表实例(对象)的变量
typedef struct objc_ivar *Ivar;
/// An opaque type that represents a category.代表一个分类
typedef struct objc_category *Category;
/// An opaque type that represents an Objective-C declared property.代表OC声明的属性
typedef struct objc_property *objc_property_t;
// Class代表一个类，它在objc.h中这样定义的 typedef struct objc_class *Class;
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;这些类型的定义，对一个类进行了完全的分解，将类定义或者对象的每一个部分都抽象为一个类型type，对操作一个类属性和方法非常方便。OBJC2_UNAVAILABLE标记的属性是Ojective-C 2.0不支持的,但实际上可以用响应的函数获取这些属性。
对于上面的源码，有几个字段需要说明： isa：这里的isa指针同样是一个指向objc_class的指针，表明该Class的类型，这里的isa指针指向的就是我们常说的meta-class了。不难看出，类本身也是一个对象。 super_class：这个指针就是指向该class的super class，即指向父类，如果该类已经是最顶层的根类(如NSObject或NSProxy)，则super_class为NULL。 cache：用于缓存最近使用的方法。一个接收者对象接收到一个消息时，它会根据isa指针去查找能够响应这个消息的对象。在实际使用中，这个对象只有一部分方法是常用的，很多方法其实很少用或者根本用不上。这种情况下，如果每次消息来时，我们都是methodLists中遍历一遍，性能势必很差。这时，cache就派上用场了。在我们每次调用过一个方法后，这个方法就会被缓存到cache列表中，下次调用的时候runtime就会优先去cache中查找，如果cache没有，才去methodLists中查找方法。这样，对于那些经常用到的方法的调用，但提高了调用的效率。 version：我们可以使用这个字段来提供类的版本信息。这对于对象的序列化非常有用，它可是让我们识别出不同类定义版本中实例变量布局的改变。 objc_method_list: 方法链表中存放的是该类的成员方法(-方法)，类方法(+方法)存在meta-class的objc_method_list链表中。
通过图来描述相应的继承关系如下：
说明： 所有metaclass中isa指针都指向跟metaclass,而跟metaclass则指向自身。 Root metaclass是通过继承Root class产生的,与root class结构体成员一致，也就是前面提到的结构。 不同的是Root metaclass的isa指针指向自身。 root class的super class 指向的是nil。
函数的定义
函数的定义规则如下：
- 对对象进行操作的方法一般以object_开头
- 对类进行操作的方法一般以class_开头
- 对类或对象的方法进行操作的方法一般以method_开头
- 对成员变量进行操作的方法一般以ivar_开头
- 对属性进行操作的方法一般以property_开头开头
- 对协议进行操作的方法一般以protocol_开头
例如：使用runtime对当前的应用中加载的类进行打印操作。
- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
unsigned int count = 0;
Class *classes = objc_copyClassList(&count);
for (int i = 0; i < count; i++) {
const char *cname = class_getName(classes[i]);
printf("%s\n", cname);
}
}Runtime应用
那么Runtime在我们实际开发中会起到说明作用呢？主要有以下几点： 1. 动态的添加对象的成员变量和方法,修改属性值和方法 2. 动态交换两个方法的实现 3. 实现分类也可以添加属性 4. 实现NSCoding的自动归档和解档 5. 实现字典转模型的自动转换 6. 动态创建一个类(比如KVO的底层实现)
OC的方法调用在Runtime
1.OC代码调用方法
Receiver *receiver = [[Receiver alloc] init];
[receiver message];2.在编译时RunTime会将上述代码转化成[发送消息]
objc_msgSend(receiver,@selector(message));下面我们通过一个简单的例子来讲解Runtime的常见应用。 创建Student类
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <UIKit/UIKit.h>
@interface Student : NSObject
@property(nonatomic,copy)NSString *name;
- (void)eat;
- (void)sleep;
@endStudent.m文件
#import "Student.h"
@implementation Student
- (void)eat{
NSLog(@"%@吃饭了",self.name);
}
- (void)sleep{
NSLog(@"%@睡觉了",self.name);
}
@end1. 动态变量控制
- (void)changeVariable {
Student *student = [Student new];
student.name = @"库克";
NSLog(@"%@",student.name);
unsigned int count;
Ivar *ivar = class_copyIvarList([student class], &count);
for (int i = 0; i< count; i++) {
Ivar var = ivar[i];
const char *varName = ivar_getName(var);
NSString *name = [NSString stringWithCString:varName encoding:NSUTF8StringEncoding];
if ([name isEqualToString:@"_name"]) {
object_setIvar(student, var, @"Steve Jobs");
break;
}
}
NSLog(@"%@",student.name);
}输出结果:
2017-05-22 11:06:00.153 Day2017-05-22[9296:1003059] 库克
2017-05-22 11:06:03.155 Day2017-05-22[9296:1003059] Steve Jobs2.动态添加方法
void happyNewYear(id self, SEL _cmd){
NSLog(@"你好库克");
}注意: 1.void的前面没有+、-号，因为只是C的代码。 2.必须有两个指定参数(id self,SEL _cmd)
- (void)addMethod
{
Student *student = [Student new];
student.name = @"库克";
class_addMethod([student class], @selector(join), (IMP)happyNewYear, "v@:");
[student performSelector:@selector(join)];
}输出结果：
2017-05-22 11:10:06.379 Day2017-05-22[9296:1003059] 你好库克3. 动态为Category扩展加属性
XCode运行你在Category的.h文件申明@Property，编译通过，但运行时如果没有Runtime处理，进行赋值取值，就马上报错。 首先添加分类Student+Category 头文件：
#import "Student.h"
@interface Student (Category)
@property(nonatomic,copy)NSString *firstName;
@end.m文件：
#import "Student+Category.h"
#import <objc/runtime.h>
@implementation Student (Category)
const char name;
- (void)setFirstName:(NSString *)firstName {
objc_setAssociatedObject(self, &name, firstName, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
}
-(NSString *)firstName {
return objc_getAssociatedObject(self, &name);
}
@end调用：
- (void)addExtentionProperty
{
Student *student = [Student new];
student.firstName = @"Steve";
NSLog(@"添加属性firstName结果:%@ ",student.firstName);
}4.动态交换方法实现
- (void)exchangeMethod
{
Student *student = [Student new];
student.name = @"库克";
[student eat];
[student sleep];
NSLog(@"----------交换方法实现-----------");
Method m1 = class_getInstanceMethod([student class], @selector(eat));
Method m2 = class_getInstanceMethod([student class], @selector(sleep));
method_exchangeImplementations(m1, m2);
[student eat];
[student sleep];
}