在Objective-C中，使用<code>[receiver message]</code> 语法并不会马上执行receiver对象的message方法的代码，而是向receiver发送一条message消息，这条消息可能由receiver来处理，也可能由转发给其他对象来处理，也有可能假装没有接收到这条消息而没有处理。其实[receiver message]被编译器转化为:
<code>id objc_msgSend ( id self, SEL op, ... );</code>
下面逐步分析和理解Runtime有哪些重要的数据结构。

SEL

SEL 是函数 objc_msgSend 第二个参数的数据类型，表示方法选择器

SEL数据结构如下:

typedef struct objc_selector *SEL;

其实它就是映射到方法的C字符串，你可以通过Objc编译器命令@selector()或者Runtime系统的sel_registerName函数来获取一个SEL类型的方法选择器。
不同类中相同名字的方法所对应的方法选择器是相同的，即使方法名字相同而变量类型不同也会导致它们具有相同的方法选择器，于是 Objc 中方法命名有时会带上参数类型(NSNumber一堆抽象工厂方法)，Cocoa 中有好多长长的方法哦。
如果你知道selector对应的方法名是什么，可以通过NSString* NSStringFromSelector(SEL aSelector)方法将SEL转化为字符串，再用NSLog打印。

SEL是表示一个方法的selector的指针, 映射方法的名字。Objective-C在编译时，会依据每一个方法的名字、参数序列，生成一个唯一的整型标识(Int类型的地址)，这个标识就是SEL。
SEL的作用是作为IMP的KEY，存储在NSSet中，便于hash快速查询方法。SEL不能相同，对应方法可以不同。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，就算参数类型不同。多个方法可以有同一个SEL。
不同的类可以有相同的方法名。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。
相关概念：类型编码（Type Encoding）
编译器将每个方法的返回值和参数类型编码为一个字符串，并将其与方法的selector关联在一起。可以使用@encode编译器指令来获取它。<objc/runtime.h>中没有公开具体的objc_selector结构体成员。但通过log可知SEL本质是一个字符串。

id

objc_msgSend第一个参数的数据类型id，id是通用类型指针，能够表示任何对象
id数据结构如下：

// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

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

isa 指针的数据类型是 Class，Class 表示对象所属的类

// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

可以查看到Class其实就是一个objc_class结构体指针，但这个头文件找不到它的定义，需要在runtime.h才能找到objc_class结构体的定义。
查看到objc_class结构体定义如下：

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;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

注意：OBJC2_UNAVAILABLE是一个Apple对Objc系统运行版本进行约束的宏定义，主要为了兼容非Objective-C 2.0的遗留版本，但我们仍能从中获取一些有用信息。

-isa

<code>isa</code>表示一个Class对象的Class，也就是Meta Class。在面向对象设计中，一切都是对象，Class在设计中本身也是一个对象。objc_class有以下定义：

struct objc_class : objc_object {
  // Class ISA;
  Class superclass;
  cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
  class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
  ......
}

由此可见，结构体objc_class也是继承objc_object，说明Class在设计中本身也是一个对象。
其实Meta Class也是一个Class，那么它也跟其他Class一样有自己的isa和super_class指针，关系如下：

Class isa and superclass relationship.png

上图实线是super_class指针，虚线是isa指针。有几个关键点需要解释以下:
<ul>
<li> 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。</li>
<li> 每个Class都有一个isa指针指向唯一的Meta class</li>
<li> Root class(meta)的superclass指向Root class(class)，也就是NSObject，形成一个回路。</li>
<li> 每个Meta class的isa指针都指向Root class (meta)。</li>
</ul>

-super_class

super_class表示实例对象对应的父类

-name

name表示类名

-ivars

ivars表示多个成员变量，它指向objc_ivar_list结构体。在runtime.h可以看到它的定义：

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;
}

objc_ivar_list其实就是一个链表，存储多个objc_ivar，而objc_ivar结构体存储类的单个成员变量信息。

-methodLists

methodLists表示方法列表，它指向objc_method_list结构体的二级指针，可以动态修改*methodLists的值来添加成员方法，也是Category实现原理，同样也解释Category不能添加实例变量的原因。在runtime.h可以看到它的定义：

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;
}

同理，objc_method_list也是一个链表，存储多个objc_method，而objc_method结构体存储类的某个方法的信息。

-cache

cache用来缓存经常访问的方法，它指向objc_cache结构体。

-protocols

protocols表示类遵循哪些协议

Method

Method表示类中的某个方法，在runtime.h文件中找到它的定义：

// An opaque type that represents a method in a class definition.
typedef struct objc_method *Method;

struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}

其实Method就是一个指向objc_method结构体指针，它存储了方法名(method_name)、方法类型(method_types)和方法实现(method_imp)等信息。而method_imp的数据类型是IMP，它是一个函数指针。

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。

IMP

在上面讲Method时就说过，IMP本质上就是一个函数指针，指向方法的实现, 通过SEL取得IMP后，我们就获得了最终要找的实现函数的入口。在objc.h找到它的定义：

/// A pointer to the function of a method implementation. 
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...); 
#endif

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。

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。
方法调用最先是在方法缓存里找的，方法调用是懒调用，第一次调用时加载后加到缓存池里。一个objc程序启动后，需要进行类的初始化、调用方法时的cache初始化，再发送消息的时候就直接走缓存（引申：+load方法和+initialize方法。load方法是首次加载类时调用，绝对只调用一次；initialize方法是首次给类发消息时调用，通常只调用一次，但如果它的子类初始化时未定义initialize方法，则会再调用一次它的initialize方法）。

以objc_msgSend作为入口，逐步深入分析Runtime的数据结构，现在正式转入消息发送这个正题。

objc_msgSend函数

当某个对象使用语法<code>[receiver message]</code> 来调用某个方法时，其实<code>[receiver message]</code> 被编译器转化为:

id objc_msgSend ( id self, SEL op, ... );

现在让我们看一下objc_msgSend它具体是如何发送消息:
<ul>
<li>首先根据receiver对象的isa指针获取它对应的class</li>
<li>优先在class的cache查找message方法，如果找不到，再到methodLists查找</li>
<li> 如果没有在class找到，再到super_class查找</li>
<li>一旦找到message这个方法，就执行它实现的IMP。</li>
</ul>

Objc Message.gif

self与super

这里参考sunnyxx博客的ios程序员6级考试一道题目：下面的代码分别输出什么？

@implementation Son : Father
- (id)init
{
    self = [super init];
    if (self)
    {
        NSLog(@"%@", NSStringFromClass([self class]));
        NSLog(@"%@", NSStringFromClass([super class]));
    }
    return self;
}
@end

self表示当前这个类的对象，而super是一个编译器标示符，和self指向同一个消息接受者。在本例中，无论是[self class]还是[super class]，接受消息者都是Son对象，但super与self不同的是，self调用class方法时，是在子类Son中查找方法，而super调用class方法时，是在父类Father中查找方法。

当调用[self class]方法时，会转化为objc_msgSend函数，这个函数定义如下：

id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)

这时会从当前Son类的方法列表中查找，如果没有，就到Father类查找，还是没有，最后在NSObject类查找到。我们可以从NSObject.mm文件中看到- (Class)class的实现：

- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}

所以<code>NSLog(@"%@", NSStringFromClass([self class]));</code>会输出Son。

当调用[super class]方法时，会转化为objc_msgSendSuper，这个函数定义如下：

id objc_msgSendSuper(struct objc_super *super, SEL op, ...)

objc_msgSendSuper函数第一个参数super的数据类型是一个指向objc_super的结构体，从message.h文件中查看它的定义：

/// Specifies the superclass of an instance. 
struct objc_super {
    /// Specifies an instance of a class.
    __unsafe_unretained id receiver;

    /// Specifies the particular superclass of the instance to message. 
#if !defined(__cplusplus)  &&  !__OBJC2__
    /* For compatibility with old objc-runtime.h header */
    __unsafe_unretained Class class;
#else
    __unsafe_unretained Class super_class;
#endif
    /* super_class is the first class to search */
};
#endif

结构体包含两个成员，第一个是receiver，表示某个类的实例。第二个是super_class表示当前类的父类。

这时首先会构造出objc_super结构体，这个结构体第一个成员是self，第二个成员是(id)class_getSuperclass(objc_getClass("Son"))，实际上该函数会输出Father。然后在Father类查找class方法，查找不到，最后在NSObject查到。此时，内部使用objc_msgSend(objc_super->receiver, @selector(class))去调用，与[self class]调用相同，所以结果还是Son。

隐藏参数self和_cmd

当<code>[receiver message]</code>调用方法时，系统会在运行时偷偷地动态传入两个隐藏参数self和_cmd，之所以称它们为隐藏参数，是因为在源代码中没有声明和定义这两个参数。至于对于self的描述，上面已经解释非常清楚了。

_cmd表示当前调用方法，其实它就是一个方法选择器SEL。一般用于判断方法名或在Associated Objects中唯一标识键名，后面在Associated Objects会讲到。

操作函数:

<li>method_：</li>
invoke: 方法实现的返回值；

// 调用指定方法的实现
id method_invoke ( id receiver, Method m, ... );

// 调用返回一个数据结构的方法的实现
void method_invoke_stret ( id receiver, Method m, ... );

get: 方法名；方法实现；参数与返回值相关；

// 获取方法名
SEL method_getName ( Method m );

// 返回方法的实现
IMP method_getImplementation ( Method m );
// 获取描述方法参数和返回值类型的字符串
const char * method_getTypeEncoding ( Method m );
// 返回方法的参数的个数
unsigned int method_getNumberOfArguments ( Method m );
// 通过引用返回方法指定位置参数的类型字符串
void method_getArgumentType ( Method m, unsigned int index, char *dst, size_t dst_len );

copy: 返回值类型，参数类型

// 获取方法的返回值类型的字符串
char * method_copyReturnType ( Method m );

// 获取方法的指定位置参数的类型字符串
char * method_copyArgumentType ( Method m, unsigned int index );

// 通过引用返回方法的返回值类型字符串
void method_getReturnType ( Method m, char *dst, size_t dst_len );

set：方法实现；

// 设置方法的实现
IMP method_setImplementation ( Method m, IMP imp );

exchange：交换方法实现

// 交换两个方法的实现
void method_exchangeImplementations ( Method m1, Method m2 );

description : 方法描述

// 返回指定方法的方法描述结构体
struct objc_method_description * method_getDescription ( Method m );

<li>sel_</li>

// 返回给定选择器指定的方法的名称
const char * sel_getName ( SEL sel );

// 在Objective-C Runtime系统中注册一个方法，将方法名映射到一个选择器，并返回这个选择器
SEL sel_registerName ( const char *str );

// 在Objective-C Runtime系统中注册一个方法
SEL sel_getUid ( const char *str );

// 比较两个选择器
BOOL sel_isEqual ( SEL lhs, SEL rhs );

方法调用流程：

向对象发送消息，实际上是调用objc_msgSend函数，obj_msgSend的实际动作就是：找到这个函数指针，然后调用它。

id objc_msgSend(receiver self, selector _cmd, arg1, arg2, ...)

self和_cmd是隐藏参数，在编译期被插入实现代码。
self：指向消息的接受者target的对象类型，作为一个占位参数，消息传递成功后self将指向消息的receiver。
_cmd: 指向方法实现的SEL类型。

当向一般对象发送消息时，调用objc_msgSend；当向super发送消息时，调用的是objc_msgSendSuper； 如果返回值是一个结构体，则会调用objc_msgSend_stret或objc_msgSendSuper_stret。

0.1-检查target是否为nil。如果为nil，直接cleanup，然后return。(这就是我们可以向nil发送消息的原因。)
如果方法返回值是一个对象，那么发送给nil的消息将返回nil；如果方法返回值为指针类型，其指针大小为小于或者等于sizeof(void*)，float，double，long double 或者long long的整型标量，发送给nil的消息将返回0；如果方法返回值为结构体,发送给nil的消息将返回0。结构体中各个字段的值将都是0；如果方法的返回值不是上述提到的几种情况，那么发送给nil的消息的返回值将是未定义的。
0.2-如果target非nil，在target的Class中根据Selector去找IMP。（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）。
1-首先它找到selector对应的方法实现:
*1.1-在target类的方法缓存列表里检查有没有对应的方法实现，有的话，直接调用。
*1.2-比较请求的selector和类方法列表中的selector，对应的话，直接调用。
*1.3-比较请求的selector和父类方法列表，父类的父类，直至根类，如果有对应，则直接调用。（方法重写拦截父类方法的原理）
2-调用方法实现，并将接收者对象及方法的所有参数传给它。
3-最后，将实现函数的返回值作为自己的返回值。