iOS - Category底层原理

在Objective-C中，Category（分类）是一种为已有类动态添加方法、属性、协议的机制，无需修改原类的源码，也无需创建子类。其底层实现依赖于编译期的结构体定义和运行时（Runtime）的动态合并逻辑，核心原理可从编译期结构和运行时加载两个阶段解析。

一、编译期：Category的底层结构

编译时，每个Category会被编译器转换为一个名为category_t的结构体（定义在Objective-C Runtime源码的objc-runtime-new.h中），存储分类的核心信息。简化后的结构如下：

struct category_t {
    const char *name;               // 所属类的类名（如"UIViewController"）
    classref_t cls;                 // 所属类的指针（编译时为NULL，运行时绑定）
    struct method_list_t *instanceMethods;  // 实例方法列表（分类中定义的-方法）
    struct method_list_t *classMethods;     // 类方法列表（分类中定义的+方法）
    struct protocol_list_t *protocols;      // 分类实现的协议列表
    struct property_list_t *instanceProperties;  // 分类中声明的属性列表
    // ... 其他字段（如版本信息）
};

关键字段说明：
- name：标识该分类属于哪个类（如为UIViewController添加分类，name就是"UIViewController"）。
- instanceMethods/classMethods：分别存储分类中定义的实例方法和类方法（方法列表是method_t结构体的数组，每个method_t包含方法名、实现、类型编码等）。
- instanceProperties：存储分类中声明的属性（仅包含属性名、类型等元信息，不包含实例变量，这也是分类不能直接添加实例变量的原因）。
- protocols：存储分类实现的协议，用于运行时将协议添加到原类中。

二、运行时：Category与原类的合并

Category的核心功能（为原类添加方法/属性/协议）并非在编译期完成，而是在程序启动时（runtime初始化阶段） 通过Runtime的逻辑动态合并到原类中。具体流程如下：

1. 加载所有Category

程序启动时，Runtime会加载可执行文件（Mach-O）和所有依赖的动态库，通过_read_images函数（负责加载类和分类的核心函数）扫描其中的__DATA段，找到所有category_t结构体（编译时会被存放在这里）。

2. 绑定Category到原类

对于每个category_t，Runtime会根据其name字段找到对应的原类（cls字段此时被赋值为原类的指针）。例如，name为"UIViewController"的分类，会绑定到UIViewController类。

3. 合并方法/属性/协议到原类

Runtime通过attachCategories函数，将Category中的方法、属性、协议合并到原类的对应列表中，核心逻辑如下：

（1）方法合并（最核心）

实例方法：合并到原类的class_rw_t结构体的methods列表中（class_rw_t是类的“可读写数据”，包含方法、属性、协议等动态信息）。
类方法：合并到原类的元类（meta-class） 的class_rw_t的methods列表中（因为类方法本质是元类的实例方法）。
合并规则：
Category的方法会被插入到原类方法列表的前面（而非替换）。这意味着：
- 若Category与原类有同名方法，调用时会优先执行Category的方法（因为查找方法时从列表头部开始，找到第一个匹配的就返回）；
- 原类的方法并未被删除，只是被“隐藏”（可通过Runtime的class_getInstanceMethod强制获取原类方法）。
示例：原类A有方法-foo，分类A+Test也有-foo，合并后A的方法列表为[A+Test的-foo, A的-foo]，调用[A new] foo时执行分类的实现。

（2）属性合并

Category中声明的属性（如@property (nonatomic, copy) NSString *test;）会被合并到原类的class_rw_t的properties列表中，但不会自动生成实例变量（ivar）和setter/getter实现。

若需让属性生效，需手动实现setter/getter（或通过@dynamic延迟实现），或通过关联对象（Associated Objects） 模拟实例变量存储（如objc_setAssociatedObject）。

（3）协议合并

Category实现的协议会被合并到原类的class_rw_t的protocols列表中，效果等同于原类直接实现了这些协议（可通过class_conformsToProtocol检测）。

4. 多个Category的优先级

若多个Category为同一类添加了同名方法，最终调用哪个取决于编译顺序：

Xcode中，编译顺序在Target > Build Phases > Compile Sources中定义，最后编译的Category的方法会被插入到方法列表的最前面，因此会被优先调用。

三、为什么Category不能添加实例变量？

实例变量（ivar）的内存布局在编译期就已确定（存储在类的class_ro_t结构体的ivars中，class_ro_t是类的“只读数据”，编译后不可修改）。
而Category是在运行时才被加载并合并到原类中，此时原类的内存布局已固定，无法动态扩展ivars的内存空间，因此不能直接添加实例变量。

若需“模拟”添加变量，需通过Runtime的关联对象（Associated Objects） 机制，将变量存储在一个全局哈希表中，与原类实例绑定（本质并非真正的实例变量）。

四、Category与Class Extension的区别

常有人混淆两者，核心差异在于合并时机和功能范围：

特性	Category（分类）	Class Extension（类扩展）
合并时机	运行时（动态合并）	编译期（与原类一起编译）
能否添加实例变量	不能（需用关联对象模拟）	能（直接声明`@private`等变量）
能否添加方法	能（实例方法/类方法）	能（通常用于扩展私有方法）
能否声明属性	能（但需手动实现setter/getter）	能（编译器自动生成setter/getter）
文件名规范	原类名+分类名（如`A+Test.h`）	通常在原类.m中定义（无单独文件）

总结

Category的底层原理可概括为：

编译期：被打包为category_t结构体，存储方法、属性、协议等信息；
运行时：Runtime通过attachCategories函数将其内容合并到原类（实例方法到类，类方法到元类），且Category的方法优先级高于原类同名方法；
限制：因类的内存布局编译期固定，无法添加实例变量，需通过关联对象模拟。

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