iOS Runtime基础概念与数据结构

Objective-C是从C发展出来的语言，只是在语言层面上加了些关键字和语法。真正让Objective-C强大的是它的Runtime运行时，让OC在C语言的基础上增加了面向对象和动态特性。

Q1：OC与C语言有什么不同？
C是静态语言、面向过程语言
OC是动态语言、面向对象语言
因此，OC更加强大。

Q2：C是静态语言，OC是从C语言发展出来的，OC如何实现动态的？
Runtime（运行时）

Q3：什么是Runtime？

Runtime是为了实现 OC 面向对象、动态机制的一个库。
由 C 和汇编语言写成。

Q4：Runtime干什么？
OC代码并不是直接编译为目标语言，OC代码首先需要编译器转化为纯C语言，然后编译和汇编成目标代码。
其中，从OC到C语言的转化，就需要运行时库Runtime。这个运行时库（Runtime）用来动态得创建类和对象、进行消息传递和转发。

将 OC 面向对象的类转变为 C 语言面向过程的结构体
将 OC 函数调用转化为消息传递和转发
消息传递和转发的过程，最终找到合适的C函数执行的过程。

Q5：如何实现Runtime？
Runtime核心是消息分发机制

Runtime一些核心结构体定义

1. 对象定义：

struct objc_object {
    Class isa;
} *id;

每个OC对象的首个成员是一个指向Class的指针isa（如果子类中定义了其他对象，那么追加在后面）。

2. Class定义：

typedef struct objc_class *Class;

Class就是一个指针，指向一个objc_class结构体。

3. objc_class结构体的定义：

struct objc_class {
    Class isa;                 //指针：指向当前类的元类（类的类）
    Class super_class;         //指针：指向当前类的父类
    const char *name;
    long version;
    long info;
    long instance_size;
    struct objc_ivar_list *ivars;
    struct objc_method_list ** methodLists;     //方法列表
    struct objc_cache *cache;                 //cache的方法
    struct objc_protocol_list *protocols;
};

objc_class定义了类的信息，存放了类的元数据metadata，其中包括类的元类、父类、Name、变量、方法列表、方法cache（用于加速方法查询）。
objc_class类中首个变量也是一个isa指针，说明Class也是一个对象（类也是一个对象）。
objc_class的isa指针指向的当前类的类（元类metaclass），保存了当前类对象的元数据，类方法定义此处。
每个类仅有一个元类metaclass，每个元类仅有一个metaclass对象（就是这个类Class）

对象、类、元类之间的关系

每个类对象中持有了一个isa指针，指向这个对象的类对象（类对象保存了该类的成员方法）；
类对象中的super_class指针指向了这个类的父类，isa指向该类的元类（元类保存了该类的类方法）；
元类中的super_class指针指向元类的父类。

4. 选择器Selector

// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;

选择器Selector用于标识一个方法。从上面代码中我们可以看出，SEL是一个指向objc_selector结构体的指针。

struct objc_selector {
    char *name;                       
    char *types;                     
};

objc_selector是一个结构体，用于标识一个方法。用于在类的HashTable找到对应的函数。

5. IMP

typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ );

IMP就是一个函数指针，参数为(id, SEL, ...) 指向函数所在内存地址

6. 方法列表

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name ;
    char * method_types;
    IMP _Nonnull method_imp ;
};

typedef struct objc_method *Method;

struct objc_method_list {
    struct objc_method_list *bsolete;
    int method_count;
    /* variable length structure */
    struct objc_method method_list[1];
};

objc_method结构体保存方法的信息，其中包含SEL和IMP，SEL用来标识一个方法，IMP用来指向方法的内存地址。

7. 方法缓存

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

当 objc_msgSend() 通过一个类来查找一个选择器SEL时，它首先会搜索类缓存，用于快速查找Method，如果没找到再遍历objc_method_list。

8. 变量列表

struct objc_ivar {
    char * ivar_name;
    char * ivar_type;
    int ivar_offset ;
};

struct objc_ivar_list {
    int ivar_count;
    /* variable length structure */
    struct objc_ivar ivar_list[1];
};

9. 协议列表

struct objc_protocol_list {
    struct objc_protocol_list * next;
    long count;
    __unsafe_unretained Protocol * list[1];
};

@interface Protocol : NSObject
@end

Protocol也是一个对象。

从上面可以看出：

Class、SEL、Method都是指向特定结构体的指针。
IMP是函数指针。

小结：本文简单介绍了iOS Runtime的一些基本概念，并分析了runtime的源码中这些概念的实现。
简单来说OC在C语言的基础上定义了一系列的概念（如Class、SEL、Method、IMP），引入了面向对象、消息传递和转发机制，从而实现了Runtime机制。

参考：
Runtime 源码