Runtime的几点用法总结

一、runtime简介

• RunTime简称运行时。OC就是运行时机制，也就是在运行时候的一些机制，其中最主要的是消息机制。
• 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的函数，属于动态调用过程，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。
• 事实证明：
  • 在编译阶段，OC可以调用任何函数，即使这个函数并未实现，只要声明过就不会报错。
  • 在编译阶段，C语言调用未实现的函数就会报错。

给类别Category添加属性

比如说我们需要在类别中添加一个 NSString 类型的属性，直接在 .h 文件添加 @property(nonatomic,copy) NSString*categoryProperty;,这时候使用点语法进行调用的话，程序会出现crash错误 ：Terminating app due to uncaught exception 'NSInvalidArgumentException', reason: '-[ViewController setCategoryProperty:]: unrecognized selector sent to instance 0x7ff661e43dd0'。这种状况的原因其实很简单，只是没有实现setter和getter方法而已，所以我们的问题就转为实现setter 和 getter方法。 一言不合就要上代码了，主要记录两种类型数据的处理方式。例子为给UIImage添加了两个属性，没什么具体含义，主要记录用法：

//.h
#import <UIKit/UIKit.h>
NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN
@interface UIImage (MNZAdd)

@property(nonatomic,strong) NSString *name;
@property(nonatomic,assign) CGFloat add;

@end

NS_ASSUME_NONNULL_END

//.m
#import "UIImage+ MNZAdd.h"
#import <objc/runtime.h>

@implementation UIImage (MNZAdd)
#pragma mark - 添加属性

- (void)setName:(NSString *)name
{
    [self willChangeValueForKey:NSStringFromSelector(@selector(name))];
    objc_setAssociatedObject(self, _cmd, name, OBJC_ASSOCIATION_COPY);
    [self didChangeValueForKey:NSStringFromSelector(@selector(name))];
}

- (NSString *)name
{
    return objc_getAssociatedObject(self, @selector(setName:));
}

- (void)setAdd:(CGFloat)add
{
    [self willChangeValueForKey:NSStringFromSelector(@selector(add))];

    //区别在这里，区别在这里
    NSValue *value = [NSValue value:&add withObjCType:@encode(CGFloat)];
    objc_setAssociatedObject(self, _cmd, value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN);

    [self didChangeValueForKey:NSStringFromSelector(@selector(add))];
}

- (CGFloat)add
{
    CGFloat cValue = {0};
    NSValue *value = objc_getAssociatedObject(self, @selector(setAdd:));
    [value getValue:&cValue];
    return cValue;
}

@end

利用runtime来替换已有的系统方法

例子，初始化UIImage的时候，在不同的系统版本中添加不同的风格的切图，怎么就是和UIImage过不去了。

//.h
#import <UIKit/UIKit.h>

@interface UIImage (MNZAdd)
/*!
 @brief 如果调用这个，其实调用的是原来系统的方法，因为他两交换了实现

 @note 为防止误用，可以不声明该方法
 */
+ (nonnull UIImage *)mnz_imageNamed:(NSString *)name;
@end

//.m
#import "UIImage+MNZAdd.h"
#import <objc/runtime.h>

@implementation UIImage (MNZAdd)

+ (void)load {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        Class class = [self class];
        
        SEL originalSelector = @selector(imageNamed:);
        SEL mySelector = @selector(mnz_imageNamed:);
        /*
            //实例方法
            Method originalMethod = class_getInstanceMethod(class, originalSelector);
            Method myMethod = class_getInstanceMethod(class, mySelector);
         */
        Method originalMethod = class_getClassMethod(class, originalSelector);
        Method myMethod = class_getClassMethod(class, mySelector);
        
        class_addMethod(class, originalSelector, class_getMethodImplementation(class, originalSelector), method_getTypeEncoding(originalMethod));
        class_addMethod(class, mySelector, class_getMethodImplementation(class, mySelector), method_getTypeEncoding(myMethod));
        //交换方法的实现
        method_exchangeImplementations(originalMethod, myMethod);
    });
}

#pragma mark - 交换系统方法
+ (nonnull UIImage *)mnz_imageNamed:(NSString *)name {
    /*!
     在这里实现我们所需要做的操作
     */
    double systemVersion = [[[UIDevice currentDevice]systemVersion] floatValue];
    if (systemVersion >= 9.0) {
        name = [name stringByAppendingString:@"_os"];
    }
    //这个地方很关键，mnz_imageNamed:是调用系统的imageNamed:实现(两个方法交换了实现)
    UIImage *image = [UIImage mnz_imageNamed:name];
    return image;
}

方法+ (void)load不是这里的重点，简单知道一下：一般情况下，类别中的方法会重写掉主类里面相同命名的方法，但+load:是个特例，当一个类被读到内存的时候，runtime会给这个类以及他的每一个类别都发送一个 +load:消息（知道这一点很重要）。。
Note：注意交换方法只能执行一次，不要总是执行，load的意义在这儿也有体现的。

还有一点是，尝试添加原 selector 是为了做一层保护，因为如果这个类没有实现 originalSelector ，但是其父类实现了，那么 class_getInstanceMethod 返回的将是父类的方法。这样就导致了 method_exchangeImplementations 替换的是父类的方法。所以先尝试添加 originalSelector ，如果已经存在，再用 method_exchangeImplementations 把原来的方法的实现交换成新方法的实现。

实现自动归档和自动解档

其实归档的实现很简单，只不过就是实现协议，需要说明一点的是： 实现了 ‘NSCoding’协议，就可以支持数据类和数据流间的编码和解码，而数据流可以持久化到硬盘。

//.h
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface MNZEncodeModel : NSObject<NSCoding>

@property(nonatomic,strong) NSString *name;
@property(nonatomic,assign) int age;
@property(nonatomic,assign) NSRange range;

@end

//.m
#import "MNZEncodeModel.h"
#import "NSObject+MNZEncode.h"

NSString *const kEncodeName = @"name";
NSString *const kEncodeAge = @"age";
NSString *const kEncodeRange = @"range";

@implementation MNZEncodeModel

- (instancetype)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder
{
    self = [super init];
    if (self) {
        _name = [aDecoder decodeObjectForKey:kEncodeName];
        _age = [aDecoder decodeIntForKey:kEncodeAge];
        _range = [[aDecoder decodeObjectForKey:kEncodeRange] rangeValue];
    }
    return self;
}

- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder
{
    [aCoder encodeObject:self.name forKey:kEncodeName];
    [aCoder encodeInt:self.age forKey:kEncodeAge];
    [aCoder encodeObject:[NSValue valueWithRange:self.range] forKey:kEncodeRange];
}

@end

可问题在于，像这样只有三个属性需要我们，可以这样写，那如果有三十个属性呐，身为一个会偷懒的程序员自然要找偷懒的方法了

//.h

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface MNZEncodeModel : NSObject <NSCoding>

@property(nonatomic,strong) NSString *name;
@property(nonatomic,assign) int age;
@property(nonatomic,assign) NSRange range;

@end

//.m
#import "MNZEncodeModel.h"
#import <objc/runtime.h>

@implementation MNZEncodeModel

- (instancetype)initWithCoder:(NSCoder *)coder
{
    self = [super init];
    if (self) {
        unsigned int count = 0;
        Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &count);
        for (int i=0; i<count; i++) {
            Ivar ivar = ivars[i];
            const char *name = ivar_getName(ivar);
            NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name];
            id value = [coder decodeObjectForKey:key];
            [self setValue:value forKey:key];
        }
        free(ivars);
    }
    return self;
}

- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder {
    unsigned int count = 0;
    Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &count);
    for (int i=0; i<count; i++) {
        Ivar ivar = ivars[i];
        const char *name = ivar_getName(ivar);
        NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name];
        id value = [self valueForKey:key];
        [aCoder encodeObject:value forKey:key];
    }
    free(ivars);
}

@end

简化一下使用方式

而这样每一个模型类都要写着无聊的代码，而大部分类都是继承自NSObject，所以，我们可以实现一个NSObject类别来专门做这件事。

//.h

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface NSObject (MNZEncode)

- (instancetype)mnz_initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder;
- (void)mnz_encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder;

@end

//.m

#import "NSObject+MNZEncode.h"
#import <objc/runtime.h>

@implementation NSObject (MNZEncode)

- (instancetype)mnz_initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder
{
    if (!aDecoder) return self;
    if (self == (id)kCFNull) return self;
    unsigned int count = 0;
    Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &count);
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        //取出i对应位置的成员变量
        Ivar ivar = ivars[i];
        //查看成员变量
        const char *name = ivar_getName(ivar);
        //归档
        NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name];
        id value = [aDecoder decodeObjectForKey:key];
        //设置到成员变量身上
        [self setValue:value forKey:key];
    }
    free(ivars);
    return self;
}

- (void)mnz_encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder
{
    if (!aCoder) return;
    if (self == (id)kCFNull) {
        [((id<NSCoding>)self)encodeWithCoder:aCoder];
        return;
    }
    unsigned int count = 0;
    Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &count);

    for (int i = 0; i < count; i++) {
        Ivar ivar = ivars[i];
        const char *name = ivar_getName(ivar);
        NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name];
        id value = [self valueForKey:key];
        [aCoder encodeObject:value forKey:key];
    }
    free(ivars);
}

@end

这样在使用的时候只需要简单的引用一下就可以了

消息转发

objc_msgSend方法的使用

objc_msgSend(receiver,selector)

或者传入参数

objc_msgSend(receiver,selector,arg1,arg2,...)

对于一个给定的函数调用，如

[self SendImage:fileName];

可以通过如下方法来替换：

void (*action)(id, SEL, NSString*) = (void (*)(id, SEL, NSString*))objc_msgSend;
action(self, @selector(SendImage:), fileName);

注意objc_msgSend函数总是以一个id变量和一个selector作为它的前两个参数。objc_msgSend 被转换成函数指针后，就可以通过这个函数指针进行函数调用了。

当一个message被发送给object，会根据object的isa 指针找到类结构里的方法，如果不能找到，一直顺着父类寻找该方法的实现，直到NSObject类。

为加快速度，runtime system 会缓存使用过的selector和方法地址。

• 通过object的isa指针找到他的class

• 在class的method_list中找到方法

• 如果class中没有找到方法，继续往superclass中查找

• 一旦找到这个函数，执行对应的方法实现 （IMP）

• 找不到 Dynamic Method Resolution(动态方法决议) 如果是实例方法，调用**+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel,如果是类方法，调用+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel，**这样可以让程序在运行时动态的为一个selector提供实现。如果返回YES，运行时系统会重启一次消息的发送过程，调动动态添加方法。

    +(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
    {
      if (sel == @selector(foo)) {
          class_addMethod([self class], sel, (IMP)dynamicMethodIMP, "V@:");
      }
      return [super resolveInstanceMethod:sel];
    }
    void dynamicMethodIMP(id self,SEL _cmd){
      NSLog(@"%s",__PRETTY_FUNCTION__);
    }
    +(BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel
    {
      return [super resolveClassMethod:sel];
    }]
  

Note：Objective-C的方法本质上是一个至少包含了两个参数（id self,SEL _cmd)的C函数。

Message Forwarding（消息转发）

分两步：
1、首先运行时系统会调用- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector方法，如果这个方法中返回的不是nil或者self，运行时系统将把消息发送给返回的那个对象
2、如果- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector返回的是nil或者self，运行时系统首先会调用- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector方法来获得方法签名，方法签名记录了方法的参数和返回值的信息，如果－methodSignatureForSelector 返回的是nil, 运行时系统会抛出unrecognized selector exception，程序到这里就结束了

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector
{
  NSMethodSignature *signature =[super methodSignatureForSelector:aSelector];
  if (!signature) {
      //获取指定对象的方法签名
      signature = [target methodSignatureForSelector:aSelector];
  }

  return signature;
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
{
  //检测target是否实现来该方法
  if ([target respondsToSelector:anInvocation.selector]) {
      //如果实现了，在这儿将方法分发到对象中去 。可利用这个实现多重代理
      [anInvocation invokeWithTarget:target];
  }
}

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
{
  return nil;
}

或者

// 第一步：我们不动态添加方法，返回NO，进入第二步；
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
{
    return NO;
}

// 第二部：我们不指定备选对象响应aSelector，进入第三步；
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
{
    return nil;
}

// 第三步：返回方法选择器，然后进入第四部；
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector 
{
    if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"sing"]) {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
    }
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

// 第四部：这步我们修改调用对象
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation 
{
    // 我们改变调用对象为People
    NewClass *newTarget = [[NewClass alloc] init];
    [anInvocation invokeWithTarget:newTarget];
}

流程图：

几个特殊方法

objc_msgSend_stret
如果待发送的消息要返回结构体，那么可交由此函数处理。只有当CPU的寄存器能够容纳得下消息返回类型时，这个函数才能处理此消息。若是返回值无法容纳于CPU寄存器中（比如说返回的结构体太大了），那么就由另一个函数执行派发。此时，那个函数会通过分配在栈上的某个变量来处理消息所返回的结构体。

objc_msgSend_fpret
如果消息返回的是浮点数，那么可交由此函数处理。在某些架构的CPU中调用函数时，需要对“浮点数寄存器”（floating-point register）做特殊处理，也就是说，通常所用的objc_msgSend在这种情况下并不合适。这个函数是为了处理x86等架构CPU中某些令人稍觉惊讶的奇怪状况。

objc_msgSendSuper
如果要给超类发消息，例如[super message:parameter]，那么就交由此函数处理。也有另外两个与objc_msgSend_stret和objc_msgSend_fpret等效的函数，用于处理发给super的相应消息。

上文说过，当找到相应的方法时，会跳转过去。之所以可以这样实现，是因为每一个Objective-C函数都可以看作是一个简单的C函数，原型如下：

<return_type> Class_selector(id self,SEL _cmd,...)

以上Class及selector的命名是为了方便理解。每个类中都有一张类似于字典的方法表，而selector就相当于查找方法的key，objc_msgSend函数就是通过查这张表来实现跳转的。之所以以上原型和objc_msgSend方法长的非常相像，是为了更好使用tail-call技术来时方法的跳转更加优化。

如果某函数的最后一项操作是调用另外一个函数，那么就可以运用“tail-call”技术。 此时编译器会生成调转至另一函数所需的指令码，而不会向调用堆栈中推入新的“栈帧”。tail-call使用的条件比较苛刻，除了要求函数的最后一项操作是调用另外一个函数外，，并且要求另外一个函数不是有返回值的函数类型。tail-call对objc_msgSend非常关键，如果不这么做的话，那么每次调用Objective-C方法之前，都需要为调用objc_msgSend函数准备“栈帧”，若是不优化，还会过早地发生“栈溢出”（stack overflow）现象。

在写OC中，我们其实并不需要了解那么多底层的东西，但是我们需要知道调用一个方法之后，OC底层都发生了什么。

总结

• 1 一个消息包含接受者，选择子和参数。调用一个方法相当于像对象发送一条消息。
• 2 当发送消息是，动态绑定机制会帮助我们查找方法的实现并进行运行。