Objective-C Runtime 运行时之一：类与对象

Objective-C语言是一门动态语言，它将很多静态语言在编译和链接时期做的事放到了运行时来处理。这种动态语言的优势在于：我们写代码时能够更具灵活性，如我们可以把消息转发给我们想要的对象，或者随意交换一个方法的实现等。
这种特性意味着Objective-C不仅需要一个编译器，还需要一个运行时系统来执行编译的代码。对于Objective-C来说，这个运行时系统就像一个操作系统一样：它让所有的工作可以正常的运行。这个运行时系统即Objc Runtime。Objc Runtime其实是一个Runtime库，它基本上是用C和汇编写的，这个库使得C语言有了面向对象的能力。
Runtime库主要做下面几件事：
封装：在这个库中，对象可以用C语言中的结构体表示，而方法可以用C函数来实现，另外再加上了一些额外的特性。这些结构体和函数被runtime函数封装后，我们就可以在程序运行时创建，检查，修改类、对象和它们的方法了。
找出方法的最终执行代码：当程序执行[object doSomething]时，会向消息接收者(object)发送一条消息(doSomething)，runtime会根据消息接收者是否能响应该消息而做出不同的反应。这将在后面详细介绍。
Objective-C runtime目前有两个版本：Modern runtime和Legacy runtime。Modern Runtime 覆盖了64位的Mac OS X Apps，还有 iOS Apps，Legacy Runtime 是早期用来给32位 Mac OS X Apps 用的，也就是可以不用管就是了。
在这一系列文章中，我们将介绍runtime的基本工作原理，以及如何利用它让我们的程序变得更加灵活。在本文中，我们先来介绍一下类与对象，这是面向对象的基础，我们看看在Runtime中，类是如何实现的。
类与对象基础数据结构
Class
Objective-C类是由Class类型来表示的，它实际上是一个指向objc_class结构体的指针。它的定义如下：

typedef struct objc_class *Class;

查看objc/runtime.h中objc_class结构体的定义如下：

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_***AILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class super_class                       OBJC2_UN***AILABLE;  // 父类
    const char *name                        OBJC2_UN***AILABLE;  // 类名
    long version                            OBJC2_UN***AILABLE;  // 类的版本信息，默认为0
    long info                               OBJC2_UN***AILABLE;  // 类信息，供运行期使用的一些位标识
    long instance_size                      OBJC2_UN***AILABLE;  // 该类的实例变量大小
    struct objc_ivar_list *ivars            OBJC2_UN***AILABLE;  // 该类的成员变量链表
    struct objc_method_list **methodLists   OBJC2_UN***AILABLE;  // 方法定义的链表
    struct objc_cache *cache                OBJC2_UN***AILABLE;  // 方法缓存
    struct objc_protocol_list *protocols    OBJC2_UN***AILABLE;  // 协议链表
#endif

} OBJC2_UN***AILABLE;

在这个定义中，下面几个字段是我们感兴趣的：
isa：需要注意的是在Objective-C中，所有的类自身也是一个对象，这个对象的Class里面也有一个isa指针，它指向metaClass(元类)，我们会在后面介绍它。
super_class：指向该类的父类，如果该类已经是最顶层的根类(如NSObject或NSProxy)，则super_class为NULL。
cache：用于缓存最近使用的方法。一个接收者对象接收到一个消息时，它会根据isa指针去查找能够响应这个消息的对象。在实际使用中，这个对象只有一部分方法是常用的，很多方法其实很少用或者根本用不上。这种情况下，如果每次消息来时，我们都是methodLists中遍历一遍，性能势必很差。这时，cache就派上用场了。在我们每次调用过一个方法后，这个方法就会被缓存到cache列表中，下次调用的时候runtime就会优先去cache中查找，如果cache没有，才去methodLists中查找方法。这样，对于那些经常用到的方法的调用，但提高了调用的效率。
version：我们可以使用这个字段来提供类的版本信息。这对于对象的序列化非常有用，它可是让我们识别出不同类定义版本中实例变量布局的改变。
针对cache，我们用下面例子来说明其执行过程：

NSArray *array = [[NSArray alloc] init];

其流程是：
[NSArray alloc]先被执行。因为NSArray没有+alloc方法，于是去父类NSObject去查找。
检测NSObject是否响应+alloc方法，发现响应，于是检测NSArray类，并根据其所需的内存空间大小开始分配内存空间，然后把isa指针指向NSArray类。同时，+alloc也被加进cache列表里面。
接着，执行-init方法，如果NSArray响应该方法，则直接将其加入cache；如果不响应，则去父类查找。
在后期的操作中，如果再以[[NSArray alloc] init]这种方式来创建数组，则会直接从cache中取出相应的方法，直接调用。
objc_object与id
objc_object是表示一个类的实例的结构体，它的定义如下(objc/objc.h)：

struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_***AILABILITY;
};

typedef struct objc_object *id;

可以看到，这个结构体只有一个字体，即指向其类的isa指针。这样，当我们向一个Objective-C对象发送消息时，运行时库会根据实例对象的isa指针找到这个实例对象所属的类。Runtime库会在类的方法列表及父类的方法列表中去寻找与消息对应的selector指向的方法。找到后即运行这个方法。
当创建一个特定类的实例对象时，分配的内存包含一个objc_object数据结构，然后是类的实例变量的数据。NSObject类的alloc和allocWithZone:方法使用函数class_createInstance来创建objc_object数据结构。
另外还有我们常见的id，它是一个objc_object结构类型的指针。它的存在可以让我们实现类似于C++中泛型的一些操作。该类型的对象可以转换为任何一种对象，有点类似于C语言中void *指针类型的作用。
objc_cache
上面提到了objc_class结构体中的cache字段，它用于缓存调用过的方法。这个字段是一个指向objc_cache结构体的指针，其定义如下：

struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */                 OBJC2_UN***AILABLE;
    unsigned int occupied                                    OBJC2_UN***AILABLE;
    Method buckets[1]                                        OBJC2_UN***AILABLE;
};

该结构体的字段描述如下：
mask：一个整数，指定分配的缓存bucket的总数。在方法查找过程中，Objective-C runtime使用这个字段来确定开始线性查找数组的索引位置。指向方法selector的指针与该字段做一个AND位操作(index = (mask & selector))。这可以作为一个简单的hash散列算法。
occupied：一个整数，指定实际占用的缓存bucket的总数。
buckets：指向Method数据结构指针的数组。这个数组可能包含不超过mask+1个元素。需要注意的是，指针可能是NULL，表示这个缓存bucket没有被占用，另外被占用的bucket可能是不连续的。这个数组可能会随着时间而增长。
元类(Meta Class)
在上面我们提到，所有的类自身也是一个对象，我们可以向这个对象发送消息(即调用类方法)。如：

NSArray *array = [NSArray array];

这个例子中，+array消息发送给了NSArray类，而这个NSArray也是一个对象。既然是对象，那么它也是一个objc_object指针，它包含一个指向其类的一个isa指针。那么这些就有一个问题了，这个isa指针指向什么呢？为了调用+array方法，这个类的isa指针必须指向一个包含这些类方法的一个objc_class结构体。这就引出了meta-class的概念：
meta-class是一个类对象的类。
当我们向一个对象发送消息时，runtime会在这个对象所属的这个类的方法列表中查找方法；而向一个类发送消息时，会在这个类的meta-class的方法列表中查找。
meta-class之所以重要，是因为它存储着一个类的所有类方法。每个类都会有一个单独的meta-class，因为每个类的类方法基本不可能完全相同。
再深入一下，meta-class也是一个类，也可以向它发送一个消息，那么它的isa又是指向什么呢？为了不让这种结构无限延伸下去，Objective-C的设计者让所有的meta-class的isa指向基类的meta-class，以此作为它们的所属类。即，任何NSObject继承体系下的meta-class都使用NSObject的meta-class作为自己的所属类，而基类的meta-class的isa指针是指向它自己。这样就形成了一个完美的闭环。
通过上面的描述，再加上对objc_class结构体中super_class指针的分析，我们就可以描绘出类及相应meta-class类的一个继承体系了，如下图所示：


对于NSObject继承体系来说，其实例方法对体系中的所有实例、类和meta-class都是有效的；而类方法对于体系内的所有类和meta-class都是有效的。
讲了这么多，我们还是来写个例子吧：

void TestMetaClass(id self, SEL _cmd) {

    NSLog(@"This objcet is %p", self);
    NSLog(@"Class is %@, super class is %@", [self class], [self superclass]);

    Class currentClass = [self class];
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        NSLog(@"Following the isa pointer %d times gives %p", i, currentClass);
        currentClass = objc_getClass((__bridge void *)currentClass);
    }

    NSLog(@"NSObject's class is %p", [NSObject class]);
    NSLog(@"NSObject's meta class is %p", objc_getClass((__bridge void *)[NSObject class]));
}

#pragma mark -

@implementation Test

- (void)ex_registerClassPair {

    Class newClass = objc_allocateClassPair([NSError class], "TestClass", 0);
    class_addMethod(newClass, @selector(testMetaClass), (IMP)TestMetaClass, "v@:");
    objc_registerClassPair(newClass);

    id instance = [[newClass alloc] initWithDomain:@"some domain" code:0 userInfo:nil];
    [instance performSelector:@selector(testMetaClass)];
}

@end

这个例子是在运行时创建了一个NSError的子类TestClass，然后为这个子类添加一个方法testMetaClass，这个方法的实现是TestMetaClass函数。
运行后，打印结果是

2014-10-20 22:57:07.352 mountain[1303:41490] This objcet is 0x7a6e22b0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Class is TestStringClass, super class is NSError
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Following the isa pointer 0 times gives 0x7a6e21b0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Following the isa pointer 1 times gives 0x0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Following the isa pointer 2 times gives 0x0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] Following the isa pointer 3 times gives 0x0
2014-10-20 22:57:07.353 mountain[1303:41490] NSObject's class is 0xe10000
2014-10-20 22:57:07.354 mountain[1303:41490] NSObject's meta class is 0x0

我们在for循环中，我们通过objc_getClass来获取对象的isa，并将其打印出来，依此一直回溯到NSObject的meta-class。分析打印结果，可以看到最后指针指向的地址是0x0，即NSObject的meta-class的类地址。
这里需要注意的是：我们在一个类对象调用class方法是无法获取meta-class，它只是返回类而已。
类与对象操作函数
runtime提供了大量的函数来操作类与对象。类的操作方法大部分是以class为前缀的，而对象的操作方法大部分是以objc或object_为前缀。下面我们将根据这些方法的用途来分类讨论这些方法的使用。
类相关操作函数
我们可以回过头去看看objc_class的定义，runtime提供的操作类的方法主要就是针对这个结构体中的各个字段的。下面我们分别介绍这一些的函数。并在最后以实例来演示这些函数的具体用法。
类名(name)
类名操作的函数主要有：

// 获取类的类名
const char * class_getName ( Class cls );

对于class_getName函数，如果传入的cls为Nil，则返回一个字字符串。
父类(super_class)和元类(meta-class)
父类和元类操作的函数主要有：

// 获取类的父类
Class class_getSuperclass ( Class cls );

// 判断给定的Class是否是一个元类
BOOL class_isMetaClass ( Class cls );

class_getSuperclass函数，当cls为Nil或者cls为根类时，返回Nil。不过通常我们可以使用NSObject类的superclass方法来达到同样的目的。
class_isMetaClass函数，如果是cls是元类，则返回YES；如果否或者传入的cls为Nil，则返回NO。
实例变量大小(instance_size)
实例变量大小操作的函数有：

// 获取实例大小
size_t class_getInstanceSize ( Class cls );

成员变量(ivars)及属性
在objc_class中，所有的成员变量、属性的信息是放在链表ivars中的。ivars是一个数组，数组中每个元素是指向Ivar(变量信息)的指针。runtime提供了丰富的函数来操作这一字段。大体上可以分为以下几类：
1.成员变量操作函数，主要包含以下函数：

// 获取类中指定名称实例成员变量的信息
Ivar class_getInstanceVariable ( Class cls, const char *name );

// 获取类成员变量的信息
Ivar class_getClassVariable ( Class cls, const char *name );

// 添加成员变量
BOOL class_addIvar ( Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types );

// 获取整个成员变量列表
Ivar * class_copyIvarList ( Class cls, unsigned int *outCount );

class_getInstanceVariable函数，它返回一个指向包含name指定的成员变量信息的objc_ivar结构体的指针(Ivar)。
class_getClassVariable函数，目前没有找到关于Objective-C中类变量的信息，一般认为Objective-C不支持类变量。注意，返回的列表不包含父类的成员变量和属性。
Objective-C不支持往已存在的类中添加实例变量，因此不管是系统库提供的提供的类，还是我们自定义的类，都无法动态添加成员变量。但如果我们通过运行时来创建一个类的话，又应该如何给它添加成员变量呢？这时我们就可以使用class_addIvar函数了。不过需要注意的是，这个方法只能在objc_allocateClassPair函数与objc_registerClassPair之间调用。另外，这个类也不能是元类。成员变量的按字节最小对齐量是1