iOS RunTime之二：数据结构

由上面一章中,我们了解了什么是RunTime，RunTime用来做什么，下面了解一下Runtime数据结构。

我们知道在Objective-C中，使用[object doSomething]语法并不会马上执行object接受者对象的doSomething方法的代码，而是向object接受者对发送一条doSomething消息，这条消息可能由object接受者对来处理，也可能由转发给其他对象来处理，也有可能假装没有接收到这条消息而没有处理。

其实[object doSomething]被编译器转化为:

id objc_msgSend ( id self, SEL op, ... );

下面从两个数据结构id和SEL来逐步分析和理解Runtime有哪些重要的数据结构。

id

objc_msgSend方法里面的第一个参数的数据类型id，通用类型指针，能够表示任何对象。

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查看源文件，可以看出id其实就是一个指向objc_object结构体指针，它包含一个Class isa成员，根据Class isa指针就可以找到对象所属的类。

Class

从源文件看出，Objective-C的对象就是一个包含isa指针的数据结构，而isa指针的数据类型是Class，Class表示对象所属的类。

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从源文件看出，Class其实就是一个objc_class结构体指针。objc_class结构体定义如下：

isa：在Objective-C中，所有的类自身也是一个对象，即类对象。在这个类对象里面也有一个isa指针，它指向metaClass(元类)。
super_class：指向该类的父类，如果该类已经是最顶层的根类(如NSObject)，则super_class为NULL。
name：这个类的类名。
version：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。
info：类信息，供运行期使用的一些位标识。
instance_size：该类的实例变量大小。
ivars：该类的成员变量链表。
methodLists：方法定义的链表。
protocols：协议链表。
cache：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。

注意：

• 在面向对象设计中，一切都是对象，Class在设计中本身也是一个对象。
• 由此可见，结构体objc_class也是继承objc_object，说明Class在设计中本身也是一个对象。

元类（Meta Class）

在Objective-C中，所有的类自身也是一个对象，这个对象里面也有一个isa指针，它指向metaClass(元类)，向这个对象发送消息（即调用类方法）。

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从图中看出：

• 当我们向一个对象发送消息时，isa指针会在这个对象所属的这个类的方法列表中查找方法；
• 向一个类发送消息时，isa指针会在这个类的meta-class的方法列表中查找。meta-class之所以重要，是因为它存储着一个类的所有类方法。
• 每个类都会有一个单独的meta-class，因为每个类的类方法基本不可能完全相同。

Objective-C的设计者让所有的meta-class的isa指向基类的meta-class，以此作为它们的所属类。即，任何NSObject继承体系下的meta-class都使用NSObject的meta-class作为自己的所属类，而基类的meta-class的isa指针是指向它自己，这样就形成了一个完美的闭环。

SEL

objc_msgSend函数第二个参数类型为SEL，它是selector在Objc中的表示类型（Swift中是Selector类）。selector是方法选择器，可以理解为区分方法的id，而这个id的数据结构是SEL，即表示一个方法的selector的指针。

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• 方法的selector用于表示运行时方法的名字，Objective-C在编译时，会依据每一个方法的名字、参数序列，生成一个唯一的整型标识(int类型的地址)，这个标识就是SEL。
• 在Objective-C中，只要方法名相同，那么方法的SEL就是一样的，每一个方法都对应着一个SEL，所以在Objective-C中，同一个类中或者这个类的继承体系中，不能存在2个同名的方法，不同的类可以拥有相同的selector，不同的类的实例对象执行相同的selector，会在各自的方法列表中根据selector去寻找对应的IMP。
• 在本质上，SEL只是一个指向方法的指针（被hash化得KEY值），能提高方法的查询速度。

IMP

IMP就是implementation的缩写，本质就是一个函数指针，这个被指向的函数包含一个接收消息的对象id，调用方法的SEL，以及一些方法参数，并返回一个id。因此我们可以通过SEL获得它所对应的IMP，在取得了函数指针之后，也就意味着我们取得了需要执行方法的代码入口，这样我们就可以像普通的C语言函数调用一样使用这个函数指针。

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SEL就是为了查找方法的最终实现IMP的，由于每个方法对应唯一的SEL，因此我们可以通过SEL方便快速准确地获得它所对应的IMP。

Method

Method是一种代表类中的某个方法的类型。

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而objc_method在上面的方法列表中提到过，它存储了方法名，方法类型和方法实现：

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注意：

• 方法名类型为SEL，前面提到过相同名字的方法即使在不同类中定义，它们的方法选择器也相同。
• 方法类型method_types是个char指针，其实存储着方法的参数类型和返回值类型。
• method_imp指向了方法的实现，本质上是一个函数指针。

Ivar

Ivar是一种代表类中实例变量的类型。

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Cache

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Cache其实就是一个存储Method的链表，主要是为了优化方法调用的性能。

当对象receiver调用方法message时，首先根据对象receiver的isa指针查找到它对应的类，然后在类的methodLists中搜索方法，如果没有找到，就使用super_class指针到父类中的methodLists查找，一旦找到就调用方法。如果没有找到，有可能消息转发，也可能忽略它。但这样查找方式效率太低，因为往往一个类大概只有20%的方法经常被调用，占总调用次数的80%。所以使用Cache来缓存经常调用的方法，当调用方法时，优先在Cache查找，如果没有找到，再到methodLists查找。