Runtime

概念：

Runtime是一套底層純C語言API，OC代碼最終都會被編譯器轉化為運行時代碼，通過消息機制決定函數調用方式，這也是OC作為動態語言使用的基礎。Runtime的最大特征就是實現了OC語言的動態特性。

消息機制原理

在Object-C的語言中，對象方法調用都是類似[receiver selector] 的形式，其本質：就是讓對象在運行時發送消息的過程。

而方法調用[receiver selector] 分為兩個過程:

• 編譯階段

[receiver selector] 方法被編譯器轉化，分為兩種情況:

1. 不帶參數的方法被編譯為：objc_msgSend(receiver，selector)
2. 帶參數的方法被編譯為：objc_msgSend(recevier，selector，org1，org2，…)

• 運行時階段

消息接收者recever尋找對應的selector,也分為兩種情況:

1. 接收者能找到對應的selector，直接執行接收receiver對象的selector方法。
2. 接收者找不到對應的selector，消息被轉發或者臨時向接收者添加這個selector對應的實現內容，否則崩潰

總而言之:

OC調用方法[receiver selector]，編譯階段確定了要向哪個接收者發送message消息，但是接收者如何響應決定于運行時的判斷。

重要概念

objc_msgSend

所有 Objective-C 方法調用在編譯時都會轉化為對 C 函數 objc_msgSend 的調用。objc_msgSend(receiver，selector); 是 [receiver selector]; 對應的 C 函數。

Object（對象）

在 objc/runtime.h 中，Object（對象） 被定義為指向 objc_object 結構體 的指針，objc_object結構體 的數據結構如下：

//runtime對objc_object結構體的定義
struct objc_object {Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};//id是一個指向objc_object結構體的指針，即在Runtime中：
typedef struct objc_object *id;//OC中的對象雖然沒有明顯的使用指針，但是在OC代碼被編譯轉化為C之后，每個OC對象其實都是擁有一個isa（指向對象的類）的指針的

Class(類)

在 objc/runtime.h 中，Class（類） 被定義為指向 objc_class 結構體 的指針，objc_class結構體 的數據結構如下：

//runtime對objc_class結構體的定義
struct objc_class {Class _Nonnull isa;                                          // objc_class 結構體的實例指針#if !__OBJC2__Class _Nullable super_class;                                 // 指向父類的指針const char * _Nonnull name;                                  // 類的名字long version;                                                // 類的版本信息，默認為 0long info;                                                   // 類的信息，供運行期使用的一些位標識long instance_size;                                          // 該類的實例變量大小;struct objc_ivar_list * _Nullable ivars;                     // 該類的實例變量列表struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists; // 方法定義的列表struct objc_cache * _Nonnull cache;                          // 方法緩存struct objc_protocol_list * _Nullable protocols;             // 遵守的協議列表
#endif};//class是一個指向objc_class結構體的指針，即在Runtime中：
typedef struct objc_class *Class; 

SEL (方法選擇器)

typedef struct objc_selector *SEL;//Objective-C在編譯時，會依據每一個方法的名字、參數序列，生成一個唯一的整型標識(Int類型的地址)，這個標識就是SEL

1.不同類中相同名字的方法對應的方法選擇器是相同的。
2.即使是同一個類中，方法名相同而變量類型不同也會導致它們具有相同的方法選擇器。

獲取SEL有三種方法：

1.OC中，使用@selector(“方法名字符串”)
2.OC中，使用NSSelectorFromString(“方法名字符串”)
3.Runtime方法，使用sel_registerName(“方法名字符串”)

Method（方法）

在 objc/runtime.h 中，Method（方法） 被定義為指向 objc_method 結構體 的指針，在objct_class定義中看到methodLists，其中的元素就是Method,objc_method結構體 的數據結構如下：

struct objc_method {SEL _Nonnull method_name;                    // 方法名char * _Nullable method_types;               // 方法類型IMP _Nonnull method_imp;                     // 方法實現
};//Method表示某個方法的類型
typedef struct objc_method *Method;

Runtime消息轉發

動態方法解析:動態添加方法

Runtime足夠強大，能夠在運行時動態添加一個未實現的方法，這個功能主要有兩個應用場景：

1. 動態添加未實現方法，解決代碼中因為方法未找到而報錯的問題
2. 利用懶加載思路，若一個類有很多個方法，同時加載到內存中會耗費資源，可以使用動態解析添加方法

方法動態解析主要用到的方法如下：

//OC方法：
//類方法未找到時調起，可于此添加類方法實現
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel//實例方法未找到時調起，可于此添加實例方法實現
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel//Runtime方法：
/**運行時方法：向指定類中添加特定方法實現的操作@param cls 被添加方法的類@param name selector方法名@param imp 指向實現方法的函數指針@param types imp函數實現的返回值與參數類型@return 添加方法是否成功*/
BOOL class_addMethod(Class _Nullable cls,SEL _Nonnull name,IMP _Nonnull imp,const char * _Nullable types)

• 解決方法無響應崩潰問題

執行OC方法其實就是一個發送消息的過程，若方法未實現，可以利用方法動態解析與消息轉發來避免程序崩潰，這主要涉及下面一個處理未實現消息的過程：

在這個過程中，可能還會使用到的方法有:

例子:

#import "ViewController.h"
#import <objc/runtime.h>@interface ViewController ()
@end@implementation ViewController- (void)viewDidLoad {[super viewDidLoad];// 執行 fun 函數[self performSelector:@selector(fun)];
}// 重寫 resolveInstanceMethod: 添加對象方法實現
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {if (sel == @selector(fun)) { // 如果是執行 fun 函數，就動態解析，指定新的 IMPclass_addMethod([self class], sel, (IMP)funMethod, "v@:");return YES;}return [super resolveInstanceMethod:sel];
}void funMethod(id obj, SEL _cmd) {NSLog(@"funMethod"); //新的 fun 函數
}
@end//日志輸出:2019-09-01 23:24:34.911774+0800 XKRuntimeKit[3064:521123] funMethod

從執行任務的輸出日志中，可以看到:

雖然沒有實現 fun 方法，但是通過重寫 resolveInstanceMethod: ，利用 class_addMethod 方法添加對象方法實現 funMethod 方法，并執行。從打印結果來看，成功調起了funMethod 方法。

消息接收者重定向

如果上一步中 +resolveInstanceMethod:或者 +resolveClassMethod: 沒有添加其他函數實現，運行時就會進行下一步：消息接受者重定向。

如果當前對象實現了 -forwardingTargetForSelector:，Runtime 就會調用這個方法，允許將消息的接受者轉發給其他對象,其主要方法如下:

//重定向類方法的消息接收者，返回一個類
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector//重定向實例方法的消息接受者，返回一個實例對象
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector

例子:

#import "ViewController.h"
#import <objc/runtime.h>@interface Person : NSObject
- (void)fun;
@end@implementation Person- (void)fun {NSLog(@"fun");
}
@end@implementation ViewController- (void)viewDidLoad {[super viewDidLoad];// 執行 fun 方法[self performSelector:@selector(fun)];
}+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {return YES; // 為了進行下一步 消息接受者重定向
}// 消息接受者重定向
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {if (aSelector == @selector(fun)) {return [[Person alloc] init];// 返回 Person 對象，讓 Person 對象接收這個消息}return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}//日志輸出:2019-09-01 23:24:34.911774+0800 XKRuntimeKit[3064:521123] fun

從執行任務的輸出日志中，可以看到:

雖然當前 ViewController 沒有實現 fun 方法，+resolveInstanceMethod: 也沒有添加其他函數實現。
但是我們通過 forwardingTargetForSelector 把當前 ViewController 的方法轉發給了 Person 對象去執行了。

通過forwardingTargetForSelector 可以修改消息的接收者，該方法返回參數是一個對象，如果這個對象是不是 nil，也不是 self，系統會將運行的消息轉發給這個對象執行。否則，繼續進行下一步：消息重定向流程

消息重定向

如果經過消息動態解析、消息接受者重定向，Runtime 系統還是找不到相應的方法實現而無法響應消息，Runtime 系統會利用 -methodSignatureForSelector: 方法獲取函數的參數和返回值類型。

其過程：

1. 如果 -methodSignatureForSelector: 返回了一個 NSMethodSignature 對象（函數簽名），Runtime 系統就會創建一個 NSInvocation 對象，
   并通過 -forwardInvocation: 消息通知當前對象，給予此次消息發送最后一次尋找 IMP（指向實現方法的函數指針） 的機會。
2. 如果 -methodSignatureForSelector: 返回 nil。則 Runtime 系統會發出 -doesNotRecognizeSelector: 消息，程序也就崩潰了。

所以可以在-forwardInvocation:方法中對消息進行轉發。

其主要方法：

// 消息重定向
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation；// 獲取函數的參數和返回值類型，返回簽名
- (NSMethodSignature*)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;

例子:

#import "ViewController.h"
#import <objc/runtime.h>@interface Person : NSObject
- (void)fun;
@end@implementation Person
- (void)fun {NSLog(@"fun");
}
@end@implementation ViewController- (void)viewDidLoad {[super viewDidLoad];// 執行 fun 函數[self performSelector:@selector(fun)];
}+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {return YES; // 為了進行下一步 消息接受者重定向
}- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {return nil; // 為了進行下一步 消息重定向
}// 獲取函數的參數和返回值類型，返回簽名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"fun"]) {return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];}return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}// 消息重定向
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {SEL sel = anInvocation.selector;   // 從 anInvocation 中獲取消息Person *p = [[Person alloc] init];if([p respondsToSelector:sel]) {   // 判斷 Person 對象方法是否可以響應 sel[anInvocation invokeWithTarget:p];  // 若可以響應，則將消息轉發給其他對象處理} else {[self doesNotRecognizeSelector:sel];  // 若仍然無法響應，則報錯：找不到響應方法}
}
@end//日志輸出:
2019-09-01 23:24:34.911774+0800 XKRuntimeKit[30032:8724248] fun

從執行任務的輸出日志中，可以看到:

在 -forwardInvocation: 方法里面讓 Person 對象去執行了 fun 函數

問：既然 -forwardingTargetForSelector: 和 -forwardInvocation: 都可以將消息轉發給其他對象處理，那么兩者的區別在哪？

答：區別就在于 -forwardingTargetForSelector: 只能將消息轉發給一個對象。而 -forwardInvocation: 可以將消息轉發給多個對象。

Runtime的應用

動態方法交換

實現動態方法交換(Method Swizzling )是Runtime中最具盛名的應用場景，其原理是：

通過Runtime獲取到方法實現的地址，進而動態交換兩個方法的功能。

類目添加新的屬性

在日常開發過程中，常常會使用類目Category為一些已有的類擴展功能。雖然繼承也能夠為已有類增加新的方法，而且相比類目更是具有增加屬性的優勢，但是繼承畢竟是一個重量級的操作，添加不必要的繼承關系無疑增加了代碼的復雜度。

獲取類詳細屬性

• 獲取屬性列表
• 獲取所有成員變量
• 獲取所有方法
• 獲取當前遵循的所有協議

解決同一方法高頻率調用的效率問題

Runtime源碼中的IMP作為函數指針，指向方法的實現。通過它，可以繞開發送消息的過程來提高函數調用的效率。當需要持續大量重復調用某個方法的時候，會十分有用。

動態操作屬性

• 修改私有屬性
• 改進iOS歸檔和解檔
• 實現字典與模型的轉換

利用Runtime實現的思路大體如下:

借助Runtime可以動態獲取成員列表的特性，遍歷模型中所有屬性，然后以獲取到的屬性名為key，在JSON字典中尋找對應的值value；再將每一個對應Value賦值給模型，就完成了字典轉模型的目的。

Swift中的Runtime

Swift是靜態語言，本身沒有動態特性。

結論：

• 對于純Swift類來說，沒有動態特性。方法和屬性不加任何修飾符的情況下，這個時候已經不具備我們所謂的Runtime特性了。
• 對于純Swift類，方法和屬性添加@objc標識的情況下，當前我們可以通過Runtime API拿到，但是在我們的OC中是沒辦法進行調度的。
• 對于繼承自NSObject類來說，如果我們想要動態的獲取當前的屬性和方法，必須在其聲明前添加@objc關鍵字，方法交換需要添加 dynamic 標識，否則也是無法通過Runtime API獲取的。

反射

反射是Swift中動態獲取的一種方法，可以動態獲取類型、成員信息，在運行時可以調用方法、屬性等行為的特性。上面的結論說了對于一個純Swift類來說，并不支持像OC那樣操作，但是Swift標準庫依然提供了反射機制讓我們訪問成員信息。

用法如下：

import UIKit//下方OC的部分可以不加沒問題
class LGTeacher: NSObject{@objc var age: Int = 18@objc dynamic func teach(){print("teach")}
}let t = LGTeacher()let mirror = Mirror(reflecting: t.self)
for pro in mirror.children{print("\(pro.label):\(pro.value)")
}

運行結果：

Optional("age"):18