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Runtime官方文档https://developer.apple.com/library/mac/documentation/Cocoa/Reference/ObjCRuntimeRef/index.html
简介
Objective-C是基于C加入了面向对象特性和消息转发机制的动态语言，除编译器之外，还需用Runtime系统来动态创建类和对象，进行消息发送和转发。Runtime 又叫运行时，是一套底层的 C 语言 API，其为 iOS 内部的核心之一，我们平时编写的 OC 代码，底层都是基于它来实现的。比如：
OC中方法的调用：
[receiver message];
// 底层运行时会被编译器转化为：
objc_msgSend(receiver, selector)
// 如果其还有参数比如：
[receiver message:(id)arg...];
// 底层运行时会被编译器转化为：
objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)
id objc_msgSend ( id self, SEL op, ... );
以上你可能看不出它的价值，但是我们需要了解的是 Objective-C 是一门动态语言，它会将一些工作放在代码运行时才处理而并非编译时。也就是说，有很多类和成员变量在我们编译的时是不知道的，而在运行时，我们所编写的代码会转换成完整的确定的代码运行。
Runtime 的作用
Objc 在三种层面上与 Runtime 系统进行交互：
1.通过 Objective-C 源代码
2.通过 Foundation 框架的 NSObject 类定义的方法
3.通过对 Runtime 库函数的直接调用
Objective-C 源代码
多数情况我们只需要编写 OC 代码即可，编译时Runtime 系统自动在幕后搞定一切，还记得简介中如果我们调用方法，编译器会将 OC 代码转换成运行时代码，在运行时确定数据结构和函数。
通过 Foundation 框架的 NSObject 类定义的方法
Cocoa 程序中绝大部分类都是 NSObject 类的子类，所以都继承了 NSObject 的行为。(NSProxy 类时个例外，它是个抽象超类)
一些情况下，NSObject 类仅仅定义了完成某件事情的模板，并没有提供所需要的代码。例如 -description 方法，该方法返回类内容的字符串表示，该方法主要用来调试程序。NSObject 类并不知道子类的内容，所以它只是返回类的名字和对象的地址，NSObject 的子类可以重新实现。
还有一些 NSObject 的方法可以从 Runtime 系统中获取信息，允许对象进行自我检查。例如：
- -class方法返回对象的类；
- -isKindOfClass: 和 -isMemberOfClass: 方法检查对象是否存在于指定的类的继承体系中(是否是其子类或者父类或者当前类的成员变量)；
- -respondsToSelector: 检查对象能否响应指定的消息；
- -conformsToProtocol:检查对象是否实现了指定协议类的方法；
- -methodForSelector: 返回指定方法实现的地址。
通过对 Runtime 库函数的直接调用
Runtime 系统是具有公共接口的动态共享库。头文件存放于/usr/include/objc目录下，这意味着我们使用时只需要引入objc/Runtime.h头文件即可。
许多函数可以让你使用纯 C 代码来实现 Objc 中同样的功能。除非是写一些 Objc 与其他语言的桥接或是底层的 debug 工作，你在写 Objc 代码时一般不会用到这些 C 语言函数。对于公共接口都有哪些请参考苹果官方的 API 文档。
一些 Runtime 的术语的数据结构
要想全面了解 Runtime 机制，我们必须先了解 Runtime 的一些术语，他们都对应着数据结构。
SEL
它是selector在 Objc 中的表示(Swift 中是 Selector 类)。selector 是方法选择器，其实作用就和名字一样，日常生活中，我们通过人名辨别谁是谁，注意 Objc 在相同的类中不会有命名相同的两个方法。selector 对方法名进行包装，以便找到对应的方法实现。它的数据结构是：
/// An opaque type that represents a method selector.(表示方法选择器的不透明类型)
typedef struct objc_selector *SEL;
两个类之间，不管它们是父类与子类的关系，还是之间没有这种关系，只要方法名相同，那么方法的SEL就是一样的。每一个方法都对应着一个SEL。所以在 Objective-C同一个类(及类的继承体系)中，不能存在2个同名的方法，即使参数类型不同也不行。
不同类的实例对象执行相同的selector时，会在各自的方法列表中去根据selector去寻找自己对应的IMP。
工程中的所有的SEL组成一个Set集合，Set的特点就是唯一，因此SEL是唯一的。因此，如果我们想到这个方法集合中查找某个方法时，只需要去 找到这个方法对应的SEL就行了，SEL实际上就是根据方法名hash化了的一个字符串，而对于字符串的比较仅仅需要比较他们的地址就可以了。
我们可以通过以下方法获取SEL
1.SEL sel_registerName(const char *str)//向runtime system注册一个方法名。如果方法名已经注册，则放回已经注册的SEL
2.SEL sel_getUid(const char *str)//同上
3.@selector(<#selector#>)//oc编译器提供的
4.SEL NSSelectorFromString(NSString *aSelectorName)//OC字符串转化
5.SEL method_getName ( Method m );//根据Method结构体获取
等等
id
objc_msgSend第一个参数的数据类型id,id 是一个参数类型，它是指向某个类的实例的指针，id是通用类型指针，能够表示任何对象
typedef struct objc_object *id;
struct objc_object { Class isa; };
id其实就是一个指向objc_object结构体指针，它包含一个Class isa成员，根据isa指针就可以顺藤摸瓜找到对象所属的类.
注意：根据Apple的官方文档Key-Value Observing Implementation Details提及，key-value observing是使用isa-swizzling的技术实现的，isa指针在运行时被修改，指向一个中间类而不是真正的类。所以，你不应该使用isa指针来确定类的关系，而是使用class方法来确定实例对象的类。
Class
typedef struct objc_class *Class;
Class 其实是指向 objc_class 结构体的指针。objc_class 的数据结构如下：
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;
从 objc_class 可以看到，一个运行时类中关联了它的父类指针、类名、成员变量、方法、缓存以及附属的协议。
其中 objc_ivar_list 和 objc_method_list 分别是成员变量列表和方法列表：
// 成员变量列表
struct objc_ivar_list {
int ivar_count OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
/* variable length structure */
struct objc_ivar ivar_list[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
} OBJC2_UNAVAILABLE;
// 方法列表
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;
}
由此可见，我们可以动态修改 *methodList 的值来添加成员方法，这也是 Category 实现的原理，同样解释了 Category 不能添加属性的原因。这里可以参考下美团技术团队的文章：深入理解 Objective-C: Category。
成员变量和属性的区别：@property声明的属性默认会生成一个“_”类型的成员变量，同时也会生成setter/getter方法。
objc_ivar_list 结构体用来存储成员变量的链表，而 objc_ivar 则是存储了单个成员变量的信息；同理，objc_method_list 结构体存储着方法数组的链表，而单个方法的信息则由 objc_method 结构体存储。
值得注意的时，objc_class 中也有一个 isa 指针，这说明 Objc 类本身也是一个对象。为了处理类和对象的关系，Runtime 库创建了一种叫做 Meta Class(元类) 的东西，类对象所属的类就叫做元类。Meta Class 表述了类对象本身所具备的元数据。
我们所熟悉的类方法，就源自于 Meta Class。我们可以理解为类方法就是类对象的实例方法。每个类仅有一个类对象，而每个类对象仅有一个与之相关的元类。
当你发出一个类似 [NSObject alloc]类方法的消息时，实际上，这个消息被发送给了一个类对象(Class Object)，这个类对象必须是一个元类的实例，而这个元类同时也是一个根元类(Root Meta Class)的实例。所有元类的 isa 指针最终都指向根元类。
所以当 [NSObject alloc] 这条消息发送给类对象的时候，运行时代码 objc_msgSend() 会去它元类中查找能够响应消息的方法实现，如果找到了，就会对这个类对象执行方法调用。
上图实现是 super_class 指针，虚线时 isa 指针。有几个关键点需要解释以下：
- Root class (class)其实就是NSObject，NSObject是没有超类的，所以Root class(class)的superclass指向nil。
- 每个Class都有一个isa指针指向唯一的Meta class。
- Root class(meta)的superclass指向Root class(class)，也就是NSObject，形成一个回路。
- 每个Meta class根元类的isa指针都指向Root class (meta)。
最后 objc_class 中还有一个 objc_cache ，缓存，cache用来缓存经常访问的方法，它指向objc_cache结构体，它的作用很重要，后面会提到。
IMP
IMP实际上是一个函数指针，指向方法实现的首地址。当你向某个对象发送一条信息，可以由这个函数指针来指定方法的实现，它最终就会执行那段代码，这样可以绕开消息传递阶段而去执行另一个方法实现。其定义如下：
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);
第一个参数是指向self的指针(如果是实例方法，则是类实例的内存地址；如果是类方法，则是指向元类的指针)，第二个参数是方法选择器(selector)，接下来是方法的实际参数列表。
IMP原理：SEL是方法名的唯一标识，相同的方法名如果要对应不同的实现还需关联不同的实现地址，IMP就是为此而生的。当我们知道一个IMP时候就会知道他对应的SEL名。
IMP的作用：
我们就可以像调用普通的C语言函数一样来使用这个函数指针 了。
通过取得IMP，我们可以跳过Runtime的消息传递机制，直接执行IMP指向的函数实现，这样省去了Runtime消息传递过程中所做的一系列查找操作，会比直接向对象发送消息高效一些。
获取IMP的函数如下
IMP imp_implementationWithBlock(id block)//根据代码块获取IMP,其实就是代码块与IMP关联
IMP method_getImplementation(Method m) //根据Method获取IMP
[[objc Class] instanceMethodForSelector:SEL]//根据OC方式获取IMP
//待续
当我们获取一个方法的IMP时候可以直接调用IMP
IMP imp ＝ method_getImplementation(Method m)；
id objc ＝ imp(id,SEL,argument);//objc用来保存方法的返回值，id表示调用这个方法的对象，SEL是Method的选择器，argument是方法的参数。
注意：
1.对于一个对象方法其实他的第一个参数是对象本身,第二个参数开始被存放在IMP的…里面。所以对于不属于任何对象的IMP我们要直接调用的参数是从IMP的第一参数id算起，忽略SEL传nil，然后接着后面的第二第三个参数。对于对象方法（包括类方法，类方法对象其实就是元类）则我们可以对id和sel直接传nil，忽略他然后直接调用该对象方法达到像使用C函数一样使用对象方法。
2.在OC里面对象方法是至少两个参数的C函数,两个参数是背隐藏起来的，即对象的自身self和方法名_cmd,我们在开发中常用到self，但是很少用到_cmd。
3.用imp掉用方法时候参数一点要传全,没有值的可以传nil，否则会出现错误或者一些想不到的结果。
Method
Method定义如下：它主要是用于描述类里面的方法，代表类中某个方法的类型
typedef struct objc_method *Method;
objc_method结构体定义如下:
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;//方法名
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE;//参数返回值字符串描述
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;//方法的实现
}
objc_method 存储了方法名，方法类型和方法实现：
方法名 method_name 类型为 SEL
方法类型 method_types 是个 char 指针，存储方法的参数类型和返回值类型
method_imp 指向了方法的实现，本质是一个函数指针
我们可以看到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。有了Method，SEL可以通过Method找到对应的IMP，从而调用方法的实现代码。
Method操作函数如下
方法操作主要有以下函数：
// 添加方法
BOOL class_addMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types );
// 获取实例方法
Method class_getInstanceMethod ( Class cls, SEL name );
// 获取类方法
Method class_getClassMethod ( Class cls, SEL name );
// 获取所有方法的数组
Method * class_copyMethodList ( Class cls, unsigned int *outCount );
// 替代方法的实现
IMP class_replaceMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types );
// 返回方法的具体实现
IMP class_getMethodImplementation ( Class cls, SEL name );
IMP class_getMethodImplementation_stret ( Class cls, SEL name );
// 类实例是否响应指定的selector
BOOL class_respondsToSelector ( Class cls, SEL sel );
objc_method_description
objc_method_description结构体用来描述Method的一些信息，这样我么就可以直接读出来
struct objc_method_description {
SEL name; /**< The name of the method 方法名*/
char *types; /**< The types of the method arguments 参数类型字符串*/
};
获取函数
// 返回指定方法的方法描述结构体
struct objc_method_description * method_getDescription ( Method m );
Ivar
Ivar表示类中的实例变量，在runtime.h文件中找到它的定义：
/// An opaque type that represents an instance variable.
typedef struct objc_ivar *Ivar;
struct objc_ivar {
char *ivar_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *ivar_type OBJC2_UNAVAILABLE;
int ivar_offset OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}
Ivar其实就是一个指向objc_ivar结构体指针，它包含了变量名(ivar_name)、变量类型(ivar_type)等信息。
Cache
顾名思义，Cache主要用来缓存，那它缓存什么呢？我们先在runtime.h文件看看它的定义：
typedef struct objc_cache *Cache OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_cache {
unsigned int mask /* total = mask + 1 */ OBJC2_UNAVAILABLE;
unsigned int occupied OBJC2_UNAVAILABLE;
Method buckets[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
};
Cache其实就是一个存储Method的链表，主要是为了优化方法调用的性能。当对象receiver调用方法message时，首先根据对象receiver的isa指针查找到它对应的类，然后在类的methodLists中搜索方法，如果没有找到，就使用super_class指针到父类中的methodLists查找，一旦找到就调用方法。如果没有找到，有可能消息转发，也可能忽略它。但这样查找方式效率太低，因为往往一个类大概只有20%的方法经常被调用，占总调用次数的80%。所以使用Cache来缓存经常调用的方法，当调用方法时，优先在Cache查找，如果没有找到，再到methodLists查找。
Property
typedef struct objc_property *Property;
typedef struct objc_property *objc_property_t;//这个更常用
可以通过class_copyPropertyList 和 protocol_copyPropertyList 方法获取类和协议中的属性：
objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount)
objc_property_t *protocol_copyPropertyList(Protocol *proto, unsigned int *outCount)
注意：
返回的是属性列表，列表中每个元素都是一个 objc_property_t 指针
#import <Foundation/Foundation.h>
@interface Person : NSObject
/** 姓名 */
@property (strong, nonatomic) NSString *name;
/** age */
@property (assign, nonatomic) int age;
/** weight */
@property (assign, nonatomic) double weight;
@end
以上是一个 Person 类，有3个属性。让我们用上述方法获取类的运行时属性。
unsigned int outCount = 0;
objc_property_t *properties = class_copyPropertyList([Person class], &outCount);
NSLog(@"%d", outCount);
for (NSInteger i = 0; i < outCount; i++) {
NSString *name = @(property_getName(properties[i]));
NSString *attributes = @(property_getAttributes(properties[i]));
NSLog(@"%@--------%@", name, attributes);
}
打印结果如下：
2017-02-13 16:54:08.684 Runtime体验[7435:176645] 3
2017-02-13 16:54:08.684 Runtime体验[7435:176645] name--------T@"NSString",&,N,V_name
2017-02-13 16:54:08.684 Runtime体验[7435:176645] age--------Ti,N,V_age
2017-02-13 16:54:08.684 Runtime体验[7435:176645] weight--------Td,N,V_weight
property_getName 用来查找属性的名称，返回 c 字符串。property_getAttributes 函数挖掘属性的真实名称和 @encode 类型，返回 c 字符串。
objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name)
objc_property_t protocol_getProperty(Protocol *proto, const char *name, BOOL isRequiredProperty, BOOL isInstanceProperty)
class_getProperty 和 protocol_getProperty 通过给出属性名在类和协议中获得属性的引用
