Runtime最全总结

本系列详细讲解Runtime知识点，由于运行时的内容较多，所以将内容拆分成以下几个方面，可以自行选择想要查看的部分

本文主要分析Runtime的消息机制，探究OC类和对象发送消息的原理。

理解 objc_msgSend 的作用

调用方法是面向对象语言常用的功能，用Objective-C的术语来说这叫“传递消息”，消息有“名称(name)”和“选择子(selector)”，而Runtime赋予了OC动态语言的特性，用一串伪代码简单介绍下静态语言和动态语言调用方法的区别。

if(bool){ function1(); }
else{ function2(); }
//函数地址硬编码在指令中，这是函数调用方式

void (*fnc)();
if(bool){ fnc = function1; }
else{ fnc = function2; }
fnc();
//需要的函数在运行时才能确定，动态绑定

并非编译时就会确定要调用的方法，而是交由运行时决定，这是消息机制的特点，OC基本调用方法为

id returnValue = [someObject messageName:parameter];

在这里someObject叫做接受者(receiver)，messageName叫做选择子(selector)，选择子和参数一同组成一条消息，编译器将其转为C语言函数调用，函数原型为void objc_msgSend(id self,SEL cmd, ...)，这里函数的参数个数可变，那么上面的例子会变成以下这段代码

id returnValue = objc_msgSend(someObject, @selector(messageName:),parameter);

下面还以上一篇的Father和Son为例子，讲解一下消息传递的函数方法，在main.m中输入以下代码。

Son * son = [[Son alloc] init];

接下来用clang将其转为.cpp文件clang -rewrite-objc main.m，代码如下：

Son * son = ((Son *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((Son *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Son"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));

这里将类型等简化为以下代码

Son * son = (objc_msgSend)((objc_msgSend)(objc_getClass("Son"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));

解释下这段代码，首先使用objc_getClass获取当前类对象，然后通过objc_msgSend，向这个类对象发送消息，消息名为alloc，完成实例对象分配内存，再次调用objc_msgSend向这个实例对象发送消息，消息名为init，表示实例对象的初始化。

根据上一篇文章 OC运行时机制Runtime(一)：从isa指针开始初步结识Runtime 我们了解了OC方法的继承体系

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

每个方法从所属类的“方法列表”中查找，找不到则沿继承体系向上查找，如果还是找不到，执行“完整的消息转发机制”，这里有个问题，如果每次都执行同一个方法都要查找一次，那么这个耗时还是比较长的，所以每次找到方法后会将方法存入“快速映射表”中以便下次快速查找。“快速映射表”结构体代码如下

struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */          OBJC2_UNAVAILABLE;
    unsigned int occupied                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    Method buckets[1]                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
};

那么这个cache到底有什么作用，OC许多类方法多到几十种，但是只有10%-20%的方法会经常调用，可能产生的调用次数超过80%，所以缓存的作用就体现出来了，首次调用方法从缓存中查找如果找不到再从方法列表中查找，极大的提升了查询效率。

这里已经看到了在Runtime的作用下，objc_msgSend函数完成了面向对象消息传递向面向过程函数调用的转化，这也是消息机制的基础，那么就存在一个问题了，如果一条消息发送失败，runtime会如何处理呢？

消息转发机制：unrecognized selector出现后的三次机会

首先看一个最典型的案例

id string = @"hello";
[string addObject:@"world"];

这里用id类型声明了一个变量string，这时string默认为NSString类型，那我们调用NSMutableArray的方法，就会报错，[__NSCFConstantString addObject:]: unrecognized selector sent to instance 0x100001040，我们知道oc方法继承体系是通过isa指针向上查找，直到NSObject依然找不到方法，就会调用doesNotRecognizeSelector:方法，报unrecognized selector的错误，当然这不是结束，oc在每个消息发送失败后会给出我们三次机会来解决这条消息，这就是消息转发机制。

消息转发分为两大阶段，第一阶段看接受者是否能动态添加方法，这叫做动态方法解析，如果运行期第一阶段已经被系统执行完毕，那么执行第二阶段分为两小步，先看其他有没有对象能处理这条消息，如果有备援的接收者，将消息转发给这个对象，如果没有，则会启动完整的消息转发机制，将所有信息封装到 NSInvocation 对象中，给最后一次解决这个问题的机会。

消息转发流程简图.png

下面举一个例子，首先如果一个属性执行了@dynamic property；，那么如果外界调用这个属性的setter或getter都会crash这里用动态方法解析的方式解决一下这个问题

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)selector;  //当遇到无法解读的实例方法时调用这个方法
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)selector;     //当遇到无法解读的类方法时调用这个方法

Son * son = [Son new];
son.name = @"Tom";
NSLog(@"%@", son.name);

void dynamicNameSetter (id self,SEL _cmd, id value) {
    Son *son = (Son *)self;
    son.resolveName = (NSString *)value;
}

id dynamicNameGetter (id self,SEL _cmd) {
    Son *son = (Son *)self;
    return son.resolveName;
}

@implementation Son

@dynamic name;

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    
    if (sel == @selector(setName:)) {
        class_addMethod(self, sel, (IMP)dynamicNameSetter, "v@:@");
        return true;
    }else if(sel == @selector(name)) {
        class_addMethod(self, sel, (IMP)dynamicNameGetter, "@@:");
        return true;
    }
    return [super resolveClassMethod:sel];
};

这里看到，当我们调用son的setter方法，因为实现了@dynamic;关键字，所以首先消息发送失败，走到消息转发的第一步resolveInstanceMethod，通过添加方法的方式，将值绑定到resolveName上，实现setter和getter方法。

那么如果上一步没有操作，会走到第二步

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)selector;
//如果找到接收者，返回那个对象，否则返回nil，这一步转发的消息不能进行操作，可以通过完整的消息转发机制操作。

@implementation Son

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)selector {
    return [[Daughter alloc] init];
}

@end

@implementation Daughter

- (void)substitute {
    NSLog(@"I can realize");
}

@end

这里外部调用

Son * son = [Son new];
[son performSelector:@selector(substitute)];

虽然son找不到substitute方法，但是它的备援接收者daughter可以，所以不会报错，并有成功打印。

如果以上操作都没有做，会执行最后一步完整的消息转发机制。

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation*)invocation;
//封装了NSInvocation对象，将target，selector，和parameters全部封装其中

总结

ObjC是一门动态语言，以消息机制方式代替函数调用方式，运行时才会决定消息的发送成功与失败，即使发送失败也有一套消息转发机制来避免crash，总共分为动态方法解析，备援接收者，完整的消息转发三步，如果全部没有操作才会抛出异常。

后续

到这里分析了基础的两个部分，分别是运行时结构和消息机制，感兴趣的朋友们可以移步下一篇文章 OC运行时机制Runtime(三)：关联对象Associated Object和分类Category，如果觉得本文对您有些作用，请在下方点个赞再走哈~

OC运行时机制Runtime(二)：探索Runtime的消息转发机制

OC运行时机制Runtime(二)：探索Runtime的消息转发机制

Runtime最全总结

理解 objc_msgSend 的作用

消息转发机制：unrecognized selector出现后的三次机会

总结

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