runtime 运行时--篇章二

runtime 运行时--篇章二

  • 2018-12-01
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运行时系统 – 篇章二

[TOC]

这一章讲，运行时系统的结构。
runtime开源代码可以点击这里下载，已经编译好了，下载即可直接运行。

运行时的组成部分

OC运行时系统由2个主要部分构成：编译器和运行时系统库

编译器

像C语言标准函数库为C语言程序提供标准API和实现代码一样。运行时系统库也会为OC面向对象的特性提供标准API和实现代码。这种库与所有OC程序链接。

编译器的作用是接受输入的源代码，生成使用了运行时系统库的代码，从而得到合法、可执行的OC程序。而不管是OC还是Swift，都是采用Clang作为编译器前端，LLVM(Low level vritual machine)作为编译器后端。

  • 编译器前端
    编译器前端的任务是进行：语法分析，语义分析，生成中间代码(intermediate representation )。在这个过程中，会进行类型检查，如果发现错误或者警告会标注出来在哪一行。

  • 编译器后端
    编译器后端会进行机器无关的代码优化，生成机器语言，并且进行机器相关的代码优化。

且看编译器如何为OC的类和对象生成可执行的代码，以及如何实现对象消息：

生成对象消息传递代码

当编译器解析对象消息（发送消息的表达式）时，如：

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[接收器  消息]

它会生成并调用运行时系统库中函数objc_msgSend()的代码。该函数将接收器、选择器、消息传递的参数 作为输入参数。
编译器会将所有的消息传递表达式转换为运行时系统函数代码，并提供相应的参数。而每条消息都是以动态方式处理的，所以又回到了之前所讲的：接收器的类型和方法实现代码都是在运行时决定的。

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objc_msgSend(receiver, selector)
  • 首先它找到selector对应的方法实现。因为同一个方法可能在不同的类中有不同的实现，所以我们需要依赖于接收者的类来找到的确切的实现。
  • 它调用方法实现，并将接收者对象及方法的所有参数传给它。
  • 最后，它将实现返回的值作为它自己的返回值。

对于源代码中的类和对象来说，编译器创建了执行对象消息操作所需的数据结构。

生成类和对象代码

当编译器解析含有类定义和对象的OC源代码时，会生成相应的运行时数据结构。

OC的类与运行时系统库中的Class数据结构对应。在objc.h中，Class是指向objc_class类型的结构体指针。

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// An opaque type that represents an Objective-C class. 
// 指向带有objc_class标识符的不透明数据类型的指针。
typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class 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;

不透明数据类型是一种接口定义不完整的C语言结构类型。提供了一种数据隐藏模式，其变量只能由专门为它们定义的函数访问。使用运行时系统库中的函数就可以访问Class(即objc_class)数据类型

同样，OC对象也拥有，编译器创建的运行时数据类型：

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struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
    // 后面还有实例变量
};

当我们创建对象时，系统会为objc_object类型的结构体分配内存，这种数据由isa指针后面跟实例变量的数据构成。

objc_object类型也有Class类型的isa指针（也是就是说每个对象都有一个isa指针，指向类对象）。所有的OC对象和类都是以isa指针开头，isa指针是指向objc_class结构体的指针。

让我们来看看id数据类型的定义：

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// 在objc.h中
typedef struct objc_object *id;
// 我们可以理解成这样
typedef struct objc_object {
    Class _Nonnull isa;
} *id;

显而易见，id 就是指向objc_object结构体的指针。

查看运行时系统的数据结构

OC 对象运行时会转化为objc_object类型的结构体，类会转化为objc_class的结构体。下面我们通过OC代码来观察一下：

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@interface ANPerson : NSObject
{
    @public
    int age;
}

@end
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    // 对象
    ANPerson *person1 = [[ANPerson alloc] init];
    person1->age = 0xa5a5a5a5;
    
    ANPerson *person2 = [[ANPerson alloc] init];
    person2->age = 0xc3c3c3c3;
    
    NSInteger person1Size = class_getInstanceSize([person1 class]);
    NSData *person1Data = [NSData dataWithBytes:(__bridge const void *)(person1) length:person1Size];
    NSData *person2Data = [NSData dataWithBytes:(__bridge const void *)(person2) length:person1Size];
    
    NSLog(@"\r\n person1 %p -- %@",person1, person1Data);
    NSLog(@"\r\n person2 %p -- %@",person2, person2Data);
    NSLog(@"\r\n person %p",[person1 class]);
    // 类
    id perClass = objc_getClass("ANPerson");
    NSInteger perClassSize = class_getInstanceSize([perClass class]);
    NSData *perClassData = [NSData dataWithBytes:(__bridge const void *)(perClass) length:perClassSize];
    NSLog(@"\r\n person class %@ -- %@",perClass, perClassData);
    NSLog(@"\r\n person superclass -- %p", [ANPerson superclass]);
    
    id perMetaClass = objc_getMetaClass("ANPerson");
    NSLog(@"\r\n person Mateclass %p",perMetaClass);

// 打印结果 

 person1 0x600000009fd0 -- <40869707 01000000 a5a5a5a5 00000000>
 person2 0x600000009eb0 -- <40869707 01000000 c3c3c3c3 00000000>

 person 0x107978640

 person class 0x107978640 -- <18869707 01000000 a83e9208 01000000>
 person superclass -- 0x108923ea8
 person Mateclass 0x107978618

  • 上述代码中，我们将ANPerson 实例化对象person1的内容打印了出来。person1对象的第一个值竟然和类的首地址相同。这样正附和之前介绍的objc_object结构体，objc_object第一个成员就是Class 类型的 isa指针（isa指针是指向该类的内存地址）。而第二个值从打印值来看，正是该对象的实例变量。当编译器解析对象时，就会转化为objc_object的结构体，这一下子是不是很明了了呢？

  • 对于类结构，从打印结果来看，是有2个值，第一个值和该类的元类地址一样，objc_class数据结构的第一个成员正是isa指针，是一个指向元类的指针。而另外一个值是该类的父类的首地址（也就是指向该类的父类指针）。

  • 你可能发现，打印isa指针的值(40869707 01000000)为啥和类的首地址(0x107978640)不一样？
    原因：程序在模拟器上运行的，而MAC是以低字节序存储数据的。

    内存地址从左到右按照由低到高的顺序
    低字节序：将低序字节存储在起始地址(地址低位存储值的低位，地址高位存储值的高位)
    高字节序：将高序字节存储在起始地址(地址低位存储值的高位，地址高位存储值的低位)

    person1一共占16个字节，isa占8个字节，一个字节2个十六进制，反转过来,(07978640)刚刚好.

    对于整个类的层次结构，我们会更清晰：

运行时系统库(runtime)

类相关操作函数

对象的类定义 – objc_getClass
对象的元类 – objc_getMetaClass
类的父类 – class_getSuperclass
类的名字 – class_getName
类的版本信息 – class_getVersion
以字节为单位的类尺寸 – class_getInstanceSize
类的实例变量列表 – class_copyIvarList
类的方法列表 – class_copyMethodList
类的协议列表 – class_copyProtocolList
类的属性列表 – class_copyPropertyList

使用runtime创建类
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void testAddMethod(id self , IMP _cmd)
{
    NSLog(@"动态添加方法");
}
- (void)testClass
{
    Class testClass = objc_allocateClassPair([NSObject class], "Test", 0);
    
    // 指定类的指定方法
    Method des = class_getInstanceMethod([NSObject class], @selector(description));
    // 返回描述方法参数和返回类型的字符串
    const char *types = method_getTypeEncoding(des);
   /**
    向具有给定名称和实现的类添加新方法,会覆盖父类的实现，但对该类以实现的方法无效，想要覆盖当前类的实现，需要使用method_setImplementation
    @ param cls#> 要添加方法的类
    @ param name#> 一个选择器，指定要添加的方法的名称
    @ param imp#> 一个函数，它是新方法的实现。 该函数必须至少有两个参数 -  self和_cmd。
    @ param types#> 一组字符，用于描述方法参数的类型。
    @ return YES如果成功添加方法，否则为NO
    */
    BOOL isSuc = class_addMethod(testClass, @selector(testAddMethod), (IMP)testAddMethod, types);
    if (isSuc) {
        objc_registerClassPair(testClass);
    }
    id obj = [[testClass alloc] init];
    
    ((void(*)(id, SEL))objc_msgSend)(obj, NSSelectorFromString(@"testAddMethod"));
}

关于Type Encodings的介绍，可以上官网查看。

运行时对象消息的传递

篇章一我们已经认识了SEL、IMP,现在再来认识Method。

  • Method用于表示类定义中的方法
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typedef struct objc_method *Method; struct 

objc_method { 
    SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法名 
    char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE; 
    IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法实现 
}

method_name 是一个类型为SEL的变量，是方法的名称。
method_types 方法参数的数据类型(具体类型可看Type Encodings)
method_imp 是一个IMP的变量，在方法调用时提供方法的地址

该结构体中包含一个SEL和IMP，实际上相当于在SEL和IMP之间作了一个映射。一点找到了SEL就找到了IMP.

为了加速消息的处理，运行时系统不仅缓存(objc_cache)使用过的selector及对应的方法的地址。而且还实现了分发表分派机制。

每个objc_class(类实例) 都有一个objc_method_list类型的二维指针。而每一个objc_method_list(分发表)的结构体都含有一个objc_method结构体类型的一维数组method_list(指向objc_method数据结构指针的数组)，且只有一个元素。

objc_method_list的定义如下图：

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struct objc_method_list {
    struct objc_method_list *obsolete                        OBJC2_UNAVAILABLE;

    int method_count                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_method method_list[1]                        OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                           OBJC2_UNAVAILABLE;

如下图，运行时会先根据selector搜索类方法缓存查找方法IMP函数指针。如果没有找到，就会在其类的分发表中寻找selector。并依此，一直沿着类的继承体系到达NSObject类，直到找到为止，它就会将会这个方法(Method)存储到缓存中，方便下次使用。如果还没有找到就会走消息转发流程。

调用类方法

OC中的类也是对象，即我们常说的类对象，所以它也能接受消息。

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[NSObject alloc]

  • runtime是如何找到并调用类方法的呢？

    正如之前介绍的，对象的isa指针变量会指向描述该对象的类，类对象的isa指针变量是指向描述类（及其类方法）的元类。基类的元类的父类指针指向该基类本身。

    runtime是通过元类来实现的，元类是一个特殊的类对象。在元类中，每个类都有一个类方法列表。

    • 当源代码向对象发送消息时，runtime会通过想要的类实例方法分发表，获得合适的实例方法实现代码并跳转执行。
    • 当源代码向类发送消息时，runtime会通过该类的元类类方法分发表，获得合适的类方法实现代码并跳转执行。

参考：

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runtime 运行时--篇章一
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