神经病院 Objective-C Runtime 入院第一天—— isa 和 Class 阅读笔记

前言

Runtime 是一套底层的 C 语言 API，是 iOS 系统的核心之一。开发者在编码过程中，可以给任意一个对象发送消息，在编译阶段只是确定了要向接收者发送这条消息，而接受者将要如何响应和处理这条消息，那就要看运行时来决定了。

C语言中，在编译期，函数的调用就会决定调用哪个函数。而OC的函数，属于动态调用过程，在编译期并不能决定真正调用哪个函数，只有在真正运行时才会根据函数的名称找到对应的函数来调用。

Objective-C 是一个动态语言，这意味着它不仅需要一个编译器，也需要一个运行时系统来动态得创建类和对象、进行消息传递和转发。

使用Runtime

Objc 在三种层面上与 Runtime 系统进行交互：

1. 通过 Objective-C 源代码

一般情况开发者只需要编写 OC 代码即可，Runtime 系统自动在幕后把我们写的源代码在编译阶段转换成运行时代码，在运行时确定对应的数据结构和调用具体哪个方法。

2. 通过 Foundation 框架的 NSObject 类定义的方法

在Foundation框架下，NSObject和NSProxy两个基类定义了类层次结构中该类下方所有类的公共接口和行为。
在iOS 11.2 的 objc/NSObject.h 中，与Runtime相关的方法有5个：

@protocol NSObject
- (Class)class OBJC_SWIFT_UNAVAILABLE("use 'type(of: anObject)' instead");
- (BOOL)isKindOfClass:(Class)aClass;                //检查对象是否存在于类的继承体系中
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)aClass;              //检查对象是否为类的成员
- (BOOL)conformsToProtocol:(Protocol *)aProtocol;   //检查对象能否响应指定的消息
- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector;          //检查对象是否实现了指定协议类的方法

在NSObject.h中还有一个方法会返回指定方法实现的地址IMP

1 2	@interface NSObject <NSObject> - (IMP)methodForSelector:(SEL)aSelector;

3. 通过对 Runtime 库函数的直接调用

objc_class

本文所有源码来自 objc4-680

在objc.h中定义了Class

1 2	/// An opaque type that represents an Objective-C class. typedef struct objc_class *Class;

objc_class定义在runtime.h中，Objc 2.0之前 objc_class 定义如下：

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable 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;

methodLists是指向方法列表的指针。这里可以动态修改methodLists的值来添加成员方法，这也是Category实现的原理，同样解释了Category不能添加属性的原因。

Objc 2.0之后 objc_class 定义如下：

struct objc_object {  
private:  
    isa_t isa;
};

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    ...
};

其中 isa 是一个联合体，定义如下：

union isa_t  
{
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    Class cls;
    uintptr_t bits;
}

cache_t 的作用主要是为了优化方法调用的性能。其结构如下：

struct cache_t {  
    struct bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;
}

在NSObject中，isa 是一个 objc_class 结构体，id 是一个 objc_object 结构：

typedef struct objc_class *Class;  
typedef struct objc_object *id;

@interface Object { 
    Class isa; 
}
@end

@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}
@end

用一张图来更加详细看到 objc_class 的结构：

objc_class继承于objc_object，在objc_class中也包含isa_t类型的结构体isa。从代码中可以看出来：Objective-C 中类也是一个对象。

IMP是一个函数指针，指向了一个方法的具体实现。

现在，我们再仔细看一下 objc_class 的结构，除了 isa 之外，还有3个成员变量，一个是父类的指针 superclass ，一个是方法缓存 cache_t ，最后一个这个类的实例方法链表 class_data_bits_t 。

struct objc_class : objc_object {
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
    ...
};

superclass 和 isa

当一个对象的实例方法被调用的时候，会通过 isa 找到相应的类，然后在该类的 class_data_bits_t 中去查找方法。 class_data_bits_t 是指向了类对象的数据区域。

为了和对象查找方法的机制一致，引入了元类(meta-class)的概念在类对象中查找。

对象的实例方法调用时，通过对象的 isa 在类中获取方法的实现。
类对象的类方法调用时，通过类的 isa 在元类中获取方法的实现。

对象，类，元类之间的关系可以表示为：

Root class (class)其实就是NSObject，NSObject是没有超类的，所以Root class(class)的superclass指向nil。
每个Class都有一个isa指针指向唯一的Meta class
Root class(meta)的superclass指向Root class(class)，也就是NSObject，形成一个回路。
每个Meta class的isa指针都指向Root class (meta)。

类对象和元类对象是唯一的，而对象是可以在运行时创建无数个的。在main方法执行之前，从 dyld 到 runtime 这期间，类对象和元类对象在这期间被创建。

cache_t

Cache的作用主要是为了优化方法调用的性能。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。

struct cache_t {
    struct bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;
}

typedef unsigned int uint32_t;
typedef uint32_t mask_t;  // x86_64 & arm64 asm are less efficient with 16-bits

typedef unsigned long  uintptr_t;
typedef uintptr_t cache_key_t;

struct bucket_t {
private:
    cache_key_t _key;
    IMP _imp;
}

cache_t 中存储了一个 bucket_t 的结构体，和两个 unsigned int 的变量。

mask：分配用来缓存bucket的总数。
occupied：表明目前实际占用的缓存bucket的个数。

bucket_t 的结构体中存储了一个 unsigned long 和一个 IMP 。IMP是一个函数指针，指向了一个方法的具体实现。

cache_t 中的 bucket_t *_buckets 其实就是一个散列表，用来存储Method的链表。

class_data_bits_t

在 objc_class 结构体中的注释写到 class_data_bits_t 相当于 class_rw_t 指针加上 rr/alloc 的标志。

Objc的类的属性、方法、以及遵循的协议在obj 2.0的版本之后都放在class_rw_t中。class_ro_t是一个指向常量的指针，存储来编译器决定了的属性、方法和遵守协议。

在编译期类的结构中的 class_data_bits_t *data指向的是一个 class_ro_t *指针：

在运行时调用 realizeClass 方法，会做以下3件事情：

从 class_data_bits_t 调用 data 方法，将结果从 class_rw_t 强制转换为 class_ro_t 指针
初始化一个 class_rw_t 结构体
设置结构体 ro 的值以及 flag

最后调用methodizeClass方法，把类里面的属性，协议，方法都加载进来。

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
}

方法method的定义如上，里面包含3个成员变量。SEL是方法的名字name。types是Type Encoding类型编码，IMP是一个函数指针，指向的是函数的具体实现。在runtime中消息传递和转发的目的就是为了找到IMP，并执行函数。

总结

最后用一张图来总结整个运行时的过程：