iOS底层原理:Runtime研究,玩出新花样

Objective-C 扩展了 C 语言,并加入了面向对象特性和 Smalltalk 式的消息传递机制。而这个扩展的核心是一个用 C 和 编译语言 写的 Runtime 库。它是 Objective-C 面向对象和动态机制的基石。

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。理解 Objective-C 的 Runtime 机制可以帮我们更好的了解这个语言,适当的时候还能对语言进行扩展,从系统层面解决项目中的一些设计或技术问题。一句话: 学好Runtime , iOS躺着走

# Runtime Versions and Platforms

There are different versions of the Objective-C runtime on different platforms.

## Legacy and Modern Versions

There are two versions of the Objective-C runtime—“modern” and “legacy”. The modern version was introduced with Objective-C 2.0 and includes a number of new features. The programming interface for the legacy version of the runtime is described in *Objective-C 1 Runtime Reference*; the programming interface for the modern version of the runtime is described in *[Objective-C Runtime Reference](https://developer.apple.com/documentation/objectivec/objective_c_runtime)*.

The most notable new feature is that instance variables in the modern runtime are “non-fragile”: 

*   In the legacy runtime, if you change the layout of instance variables in a class, you must recompile classes that inherit from it.

*   In the modern runtime, if you change the layout of instance variables in a class, you do not have to recompile classes that inherit from it.

In addition, the modern runtime supports instance variable synthesis for declared properties (see [Declared Properties](https://developer.apple.com/library/archive/documentation/Cocoa/Conceptual/ObjectiveC/Chapters/ocProperties.html#//apple_ref/doc/uid/TP30001163-CH17) in *[The Objective-C Programming Language](https://developer.apple.com/library/archive/documentation/Cocoa/Conceptual/ObjectiveC/Introduction/introObjectiveC.html#//apple_ref/doc/uid/TP30001163)*).

## Platforms

iPhone applications and 64-bit programs on OS X v10.5 and later use the modern version of the runtime.

Other programs (32-bit programs on OS X desktop) use the legacy version of the runtime.

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Runtime 其实有两个版本: “ modern ” 和 “ legacy ”。我们现在用的 Objective-C 2.0 采用的是现行 ( Modern ) 版的 Runtime 系统,只能运行在 iOSmacOS 10.5 之后的 64 位程序中。而 macOS 较老的 32 位程序仍采用 Objective-C 1 中的(早期) Legacy 版本的 Runtime 系统。这两个版本最大的区别在于当你更改一个类的实例变量的布局时,在早期版本中你需要重新编译它的子类,而现行版就不需要。

Runtime 基本是用 C汇编 写的,可见苹果为了动态系统的高效而作出的努力。你可以在这里下到苹果维护的开源代码。苹果和GNU各自维护一个开源的 runtime /GNUStep 版本,这两个版本之间都在努力的保持一致。

平时的业务中主要是使用官方Api,解决我们框架性的需求。

高级编程语言 想要成为可执行文件需要先编译为汇编语言再汇编为机器语言,机器语言也是计算机能够识别的唯一语言,但是 OC 并不能直接编译为汇编语言,而是要先转写为纯 C 语言再进行编译和汇编的操作,从 OCC 语言的过渡就是由runtime来实现的。然而我们使用 OC 进行面向对象开发,而 C 语言更多的是面向过程开发,这就需要将面向对象的类转变为面向过程的结构体。

OK 我们先来看看与runtime 交互的三种方式:

  • OC 原生底层就是runtime 会在后台执行 比如方法的实质就是消息 对于大多数情况下,OC运行时系统自动的在后台运行。你只需编写和编译OC代码就能使用它。 当你编译包含OC类和方法的代码时,编译器创建用来实现语言动态特性的数据结构体和方法调用。数据结构获取类和类定义的信息和协议中定义的信息,包含了在《The Objective-C Programming Language》中对“ Defining a Class and Protocols”谈论的类和协议的对象,以及方法选择,实例变量模版,和其他葱源代码中提取出来的信息。运行时主要的一个功能是发送消息,正如在Messaging 中的描述。它是由源代码的消息表达式调用的。

  • 通过调用 NSObject 的方法 间接调用runtime

+ (BOOL)isSubclassOfClass:(Class)aClass;
+ (BOOL)instancesRespondToSelector:(SEL)aSelector;
+ (BOOL)conformsToProtocol:(Protocol *)protocol;
- (IMP)methodForSelector:(SEL)aSelector;
+ (IMP)instanceMethodForSelector:(SEL)aSelector;
- (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector;
- (BOOL)isKindOfClass:(Class)aClass;
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)aClass;
- (BOOL)conformsToProtocol:(Protocol *)aProtocol;
- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector;

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这里给大家解释一下: 以上方法都是在运行时会编译成响应的方法:比如 - (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector 我们看编译会来到objc 的这里

BOOL class_respondsToSelector(Class cls, SEL sel)
{
    return class_respondsToSelector_inst(cls, sel, nil);
}

//继续跟踪 看到回来到下面的方法 ,会去查找当前sel 对应的imp是否存在
bool class_respondsToSelector_inst(Class cls, SEL sel, id inst)
{
    IMP imp;

    if (!sel  ||  !cls) return NO;

    // Avoids +initialize because it historically did so.
    // We're not returning a callable IMP anyway.
    imp = lookUpImpOrNil(cls, sel, inst, 
                         NO/*initialize*/, YES/*cache*/, YES/*resolver*/);
    return bool(imp);
}

//下面这里就是真正去查找imp的方法,我会在注重介绍一下
IMP lookUpImpOrNil(Class cls, SEL sel, id inst, 
                   bool initialize, bool cache, bool resolver)
{
    IMP imp = lookUpImpOrForward(cls, sel, inst, initialize, cache, resolver);
    if (imp == _objc_msgForward_impcache) return nil;
    else return imp;
}

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上面的两部跳动,都是给下面的方法做铺垫的,下面的方法也 runtime 非常重要的方法,下面我们花点篇幅介绍一下

IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst, 
                       bool initialize, bool cache, bool resolver)
{
    IMP imp = nil;
    bool triedResolver = NO;

    runtimeLock.assertUnlocked();

    // 如果cache是YES,则从缓存中查找IMP。
    if (cache) {
        // 通过cache_getImp函数查找IMP,查找到则返回IMP并结束调用
        imp = cache_getImp(cls, sel);
        if (imp) return imp;
    }

    runtimeLock.read();

    // 判断类是否已经被创建,如果没有被创建,则将类实例化
    if (!cls->isRealized()) {
        // Drop the read-lock and acquire the write-lock.
        // realizeClass() checks isRealized() again to prevent
        // a race while the lock is down.
        runtimeLock.unlockRead();
        runtimeLock.write();

        // 对类进行实例化操作
        realizeClass(cls);

        runtimeLock.unlockWrite();
        runtimeLock.read();
    }

    // 第一次调用当前类的话,执行initialize的代码
    if (initialize  &&  !cls->isInitialized()) {
        runtimeLock.unlockRead();
        // 对类进行初始化,并开辟内存空间
        _class_initialize (_class_getNonMetaClass(cls, inst));
        runtimeLock.read();
        // If sel == initialize, _class_initialize will send +initialize and 
        // then the messenger will send +initialize again after this 
        // procedure finishes. Of course, if this is not being called 
        // from the messenger then it won't happen. 2778172
    }

 retry:    
    runtimeLock.assertReading();

    // 尝试获取这个类的缓存
    imp = cache_getImp(cls, sel);
    if (imp) goto done;

    {
        // 如果没有从cache中查找到,则从方法列表中获取Method
        Method meth = getMethodNoSuper_nolock(cls, sel);
        if (meth) {
            // 如果获取到对应的Method,则加入缓存并从Method获取IMP
            log_and_fill_cache(cls, meth->imp, sel, inst, cls);
            imp = meth->imp;
            goto done;
        }
    }

    // Try superclass caches and method lists.
    {
        unsigned attempts = unreasonableClassCount();
        // 循环获取这个类的缓存IMP 或 方法列表的IMP
        for (Class curClass = cls->superclass;
             curClass != nil;
             curClass = curClass->superclass)
        {
            // Halt if there is a cycle in the superclass chain.
            if (--attempts == 0) {
                _objc_fatal("Memory corruption in class list.");
            }

            // Superclass cache.
            // 获取父类缓存的IMP
            imp = cache_getImp(curClass, sel);
            if (imp) {
                if (imp != (IMP)_objc_msgForward_impcache) {
                    // Found the method in a superclass. Cache it in this class.
                    // 如果发现父类的方法,并且不再缓存中,在下面的函数中缓存方法
                    log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass);
                    goto done;
                }
                else {
                    // Found a forward:: entry in a superclass.
                    // Stop searching, but don't cache yet; call method 
                    // resolver for this class first.
                    break;
                }
            }

            // Superclass method list.
            // 在父类的方法列表中,获取method_t对象。如果找到则缓存查找到的IMP
            Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel);
            if (meth) {
                log_and_fill_cache(cls, meth->imp, sel, inst, curClass);
                imp = meth->imp;
                goto done;
            }
        }
    }

    // No implementation found. Try method resolver once.

    // 如果没有找到,则尝试动态方法解析
    if (resolver  &&  !triedResolver) {
        runtimeLock.unlockRead();
        _class_resolveMethod(cls, sel, inst);
        runtimeLock.read();
        // Don't cache the result; we don't hold the lock so it may have 
        // changed already. Re-do the search from scratch instead.
        triedResolver = YES;
        goto retry;
    }

    // No implementation found, and method resolver didn't help. 
    // Use forwarding.

    // 如果没有IMP被发现,并且动态方法解析也没有处理,则进入消息转发阶段
    imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache;
    cache_fill(cls, sel, imp, inst);

 done:
    runtimeLock.unlockRead();

    return imp;
}

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lookUpImpOrForward 这个方法里面篇幅很长里面介绍了以下几点:

  • 如果cache是YES,则从缓存中查找IMP。这里也就是说我们如果之前响应过的,在cache存过,就不需要下面的操作了
  • 判断类是否已经被创建,如果没有被创建,则将类实例化
  • 第一次调用当前类的话,执行initialize的代码
  • 尝试获取这个类的缓存 ( 这里很多小伙伴就会质疑,为什么还要取一次内存,要知道OC是动态语言,在我们执行这个获取imp的时候,外界在开锁,解锁的时候是可以访问的,动态操作 )
  • 如果没有从cache中查找到,则从方法列表中获取Method
  • 如果还没有,就从父类缓存或者方法列表获取imp
  • 如果没有找到,则尝试动态方法解析
  • 如果没有IMP被发现,并且动态方法解析也没有处理,则进入消息转发阶段

里面还有关于 runtimeLock 运行时锁,这里加锁了 read() 对读取,其中 runtimeLock 是通过 pthread_rwlock_t 实现的,更加底层的,大家如果感兴趣锁可以参考这篇互斥锁-读写锁-条件锁

以上设计了 消息 , 动态方法解析 ,还有 消息转发 ,我们在接下来的篇幅中还会更加深入研究.我们继续回来,第三种 runtime 交互

  • 直接调用 runtimeAPI
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