In the jargon of runtime-oriented programming, that methods are dynamically bound to messages. Runtime is everything between your each function call.

1. 什么是Runtime

Runtime是一套比较底层的C语言库, 由一系列函数和数据结构组成，包含了很多底层的C语言API。它主要是完成了Objective-C (OC)运行时的两件事：

                                          类的封装 + 消息传递。

2. 类的封装

由于Runtime主要是用C语言来实现，因此可以看到Runtime.h中，大量使用了struct来描述对象和类，而也使用了许多方法来封装函数和结构体，这使得OC在运行中具有了面向对象的特性。

首先，OC的实例，类以及相对应元类的继承体系如图2.1

                                                                     图2.1

类的实例通过isa指针指向这个实例的Class，这个对象的Class中的isa指针则指向这个类的metaClass。当我们向一个实例发送消息，runtime会在这个实例isa指向的Class方法列表中查找方法；而向一个类发送消息时，会在该类的metaClass的方法列表中进行查找。

在这个继承体系的实现中，Runtime通过大量以class_,objc_为前缀的方法(例如下面的两个方法)来封装结构体和函数。使得使用者可以直接操作类，添加方法，协议等，也可以操作成员变量和属性。

// 获取类的父类

Class class_getSuperclass ( Class cls );

// 判断给定的类是否为metaClass

BOOL class_isMetaClass ( Class cls );

// 通过类名和成员变量名得到相应的变量信息

Ivar class_getClassVariable ( Class cls, const char *name );

// 获取实例大小

size_t class_getInstanceSize ( Class cls );

...

                                                    Runtime.h中部分函数定义

在此基础上，Runtime所实现最强大的功能是支持在程序运行的时候创建和修改类，实例操作函数[2]和运行时创建关联对象(Associated Object)。 例如：当我们想为Category增加成员变量时，可以利用以下两个函数，在运行时动态地增加成员变量：

void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)

id objc_getAssociatedObject(id object, const void *key)

Runtime.h中关于Associated Object的函数定义

并通过设置函数中objc_AssociationPolicy policy参数的枚举值来设定该成员变量的内存策略

enum {

OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN = 0,/**< Specifies a weak reference to the associated object. */

OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC = 1, /**< Specifies a strong reference to the associated object.

*The association is not made atomically. */

OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC = 3,/**< Specifies that the associated object is copied.

*The association is not made atomically. */

OBJC_ASSOCIATION_RETAIN = 01401,/**< Specifies a strong reference to the associated object.

*The association is made atomically. */

OBJC_ASSOCIATION_COPY = 01403/**< Specifies that the associated object is copied.

*The association is made atomically. */

};

                           Runtime.h中objc_AssociationPolicy policy枚举值定义

3. 消息传递

OC除了具有静态语言的特征之外，也具有动态语言的特性：动态类型(Dynamic typing),动态绑定(Dynamic binding)和动态加载(Dynamic loading)。Runtime机制使得这三个特性得以实现，让程序可以在运行时才判断其该有的行为，而不是像静态语言一样在编译时就确定了行为。

一个OC程序在运行时，主要在两个场景中运用了Runtime机制：

                   结合动态绑定的类实现 + 结合动态类型的NSObject方法

3.1 结合动态绑定的类实现

首先，一个OC程序在调用一个方法时的流程如下：

                         发送消息 -> 动态方法决议机制 -> 消息转发

步骤一:发送消息(Message)：若成功则调用方法，若失败且实现了动态方法决议机制则进入步骤二

步骤二:动态方法决议机制(Dynamic Method Resolution): 若成功则调用方法，若失败且实现了消息转发机制则进入Step 3

步骤三:消息转发(Messaging Forwarding): 如提供了消息转发，则不会有错误提示。不提供则报错

三个步骤执行是有先后顺序且不相关的，下面通过分析三个步骤来解释Runtime在其中的应用：

3.1.1 三个步骤完成调用方法

Step 1: 消息传递(Message)

OC程序运行时依赖消息传递来实现动态绑定的方法调用：当我们需要调用一个实例的方法，程序所做的是在运行时才确定向某个类的receiver发送消息，receiver在收到消息后，从自身的实现中通过@selector/SEL去寻找响应这条消息对应的IMP。

//默认带有两个隐形的参数 ，若有参数则为objc_msgSend(receiver, selector, arg1, ...)

 [receiver messasge] -> objc_msgSend(receiver, selector)

在上面的转化中，objc_msgSend会通过receiver的isa指针找到receiver对应的类，再在该类或该类的父类(沿着继承体系继续向上查找，如图3.1)中的struct objc_cache *cache 和 struct objc_method_list ** methodLists寻找到所需方法。

                                                                 图3.1

Step 2: 动态方法决议机制(Dynamic Method Resolution)

这个机制是在当在子类到父类都寻找不到对应的方法时，让我们能够在运行时动态地为一个selector提供实现。依赖NSObject.h中的如下方法为类或实例增加新的类方法或实例方法。：

+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_5, __IPHONE_2_0);

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_5, __IPHONE_2_0);

                                NSObject.h中支持动态方法决议机制的函数声明

Step 3: 消息转发(Messaging Forwarding)

Runtime会把消息有关的全部细节都封装到NSInvocation对象中，再给receiver最后一次机会，令其设法解决当前还未处理的这条消息。

Runtime会通过回调一个类方法来寻求动态添加方法的支持。如果receiver仍然无法正常响应，则Runtime会继续向receiver询问是否有其它对象可以处理这条消息，若返回能够处理的对象，Runtime会把消息转给返回的对象，消息转发流程也就结束。

用一张流程图(图3.2)来解说步骤二至步骤三的过程。

                                                                    图3.2

3.1.2 利用Method Implementations(IMP)直接调用方法实现

之前在3.1.1中提到了消息传递过程中通过@selector/SEL去查找消息对应的IMP。而我们也可以通过IMP省去Runtime消息传递过程中的查找操作。

先看看Runtime.h中可以看到关于一个方法的结构定义如下，这个结构实际上完成了SEL和对应IMP的一个映射。

struct objc_method {

SEL method_nameOBJC2_UNAVAILABLE;

char *method_typesOBJC2_UNAVAILABLE;

IMP method_impOBJC2_UNAVAILABLE;

}

method_types：char指针，存储着方法的参数类型和返回值类型。

SEL：一个Int类型的一个地址，地址中存放着方法的名字，它仅仅和方法名相关。因此不同类中可能存在拥有相同SEL的方法。工程中所有的SEL形成了一个Set。我的理解这个Set的存在是为了提高方法的查询速度。

IMP：它本质可以说是一个函数指针，即方法代码的入口点，定义如下:

                                                        id (*IMP)(id, SEL, ...)

因此IMP也可以在当一个消息要被发送给某个对象很多次的时候直接调用(例如下例在for循环中调用多次setFill:，直接使用NSObject类中的methodForSelector:可以获得一个指向方法实现的指针来进行优化)。 这样省去了Runtime消息传递时的查找操作，会比直接向对象发送消息高效一些。举个例子：

//显式地声明隐形参数,前两个参数需要显示声明为id和SEL。

void (*setter)(id, SEL, BOOL);

int i;

//需要注意转换过程中函数类型的正确性，包括返回值和参数

setter = (void (*)(id, SEL, BOOL))[target

methodForSelector:@selector(setFilled:)];

for ( i = 0 ; i < 1000 ; i++ )

setter(targetList[i], @selector(setFilled:), YES);

3.2 结合动态类型的NSObject方法

由于大部分的对象都是由NSObject继承而来。因此也继承了了NSObject的很多好用的属性和内存分配方法如下，这些方法均用于在运行时取得信息的方法。

//判断是否是这个类或者这个类的子类的实例

- (BOOL)isKindOfClass:(Class)aClass;

/判断是否是这个类的实例

- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)aClass;

//该对象是否服从于某协议

- (BOOL)conformsToProtocol:(Protocol *)aProtocol;

                                                     NSObject中的部分函数声明

其中最容易理解动态类型的例子是：通用的对象类id结合isKindOfClass。它在编译的时候是不可被识别的，而是在运行时根据语境来识别。因此它可以用来指向任何对象。常见的用法如下：

//使用introspection的方式确定对象是否是某个类或其子类的成员

id obj = dynamicObj;

if ([obj isKindOfClass:[someClass class]])

{

someClass *str = (someClass *)dynamicObj;

}

动态特性的灵活使得id类型在Protocol-Delegate的实现中也大量被使用，主要是把delegate指针类型定义为id，从而使得运行时实现动态替换。

4. Runtime机制的优劣

优点：更加灵活。

Runtime环境注册所有全局的类，函数，变量等等信息等等，我们可以无限的为这个层增加必要的功能，写代码时更具灵活性。调用函数时候，会先从这个运行时环境里检测所以所有的可能，而并不是JMP到一个非法地址就一定会Crash。这就极大增加了程序的灵活性。

缺点：增加损耗。

很显然Runtime的机制带来了CPU计算的损耗。而也可以看出Runtime机制为了提高效率也设计了SEL, objc_cache *cache来缓存使用过的selector及对应的方法的地址等。

Isabella Garcia