Runtime简介

Runtime是什么呢?比较官方的解释是

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

那Runtime的作用又是什么呢?

OC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。因此，编译器是不够的，我们还需要一个运行时系统(Runtime system)来处理编译后的代码。

Runtime中的基本概念

对象

typedef struct objc_object {
    Class isa;
} *id;

文档描述

A pointer to an instance of a class.
一个指向实例对象的指针
When you create an instance of a particular class, the allocated memory contains an objc_object data structure, which is directly followed by the data for the instance variables of the class.
当你创建一个一个特定类的实例时,将会被分配一块包含objc_object的数据结构;这个数据结构是这个类的变量
The alloc and alloc<wbr>With<wbr>Zone: methods of the Foundation framework class NSObject use the function class_createInstance to create objc_object data structures.

id(任意对象)是一个 objc_object 结构类型的指针， 其第一个成员是一个 objc_class 结构类型的指针。

类

Objective-C类是由Class类型来表示的，Class 是一个 objc_class 结构类型的指针;

typedef struct objc_class *Class; 

查看objc/runtime.h中objc_class结构体的定义如下：

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 *` */

struct objc_class结构体定义了很多变量，通过命名不难发现，
结构体里保存了指向父类的指针、类的名字、版本、实例大小、实例变量链表、方法链表、缓存、遵守的协议链表等。简单说明下作用

• isa:是一个 objc_class 类型的指针，看到这里，想起我前面的引申解读了没?内存布局以一个
• objc_class 指 针为开始的所有东东都可以当做一个 object 来对待! 这就是说 objc_class 或者说类其实也可以当做一个
• name:一个 C 字符串，指示类的名称。我们可以在运行期，通过这个名称查找到该类(通过:id objc_getClass(const char *aClassName))或该类的 metaclass(id objc_getMetaClass(const char *aClassName));
• version:类的版本信息，默认初始化为 0。我们可以在运行期对其进行修改(class_setVersion)或获 取(class_getVersion)。
• info:供运行期使用的一些位标识。有如下一些位掩码:
  CLS_CLASS (0x1L) 表示该类为普通 class ，其中包含实例方法和变量;
  CLS_META (0x2L) 表示该类为 metaclass，其中包含类方法;
  CLS_INITIALIZED (0x4L) 表示该类已经被运行期初始化了，这个标识位只被 objc_addClass 所设置; CLS_POSING (0x8L) 表示该类被 pose 成其他的类;(poseclass 在 ObjC 2.0 中被废弃了); CLS_MAPPED (0x10L) 为 ObjC 运行期所使用
  CLS_FLUSH_CACHE (0x20L) 为 ObjC 运行期所使用
  CLS_GROW_CACHE (0x40L) 为 ObjC 运行期所使用
  CLS_NEED_BIND (0x80L) 为 ObjC 运行期所使用
  CLS_METHOD_ARRAY (0x100L) 该标志位指示 methodlists 是指向一个 objc_method_list 还是 一个包含 objc_method_list 指针的数组;
• instance_size:该类的实例变量大小(包括从父类继承下来的实例变量);
• ivars:指向 objc_ivar_list 的指针，存储每个实例变量的内存地址，如果该类没有任何实例变量则为NULL;
• methodLists:与 info 的一些标志位有关，CLS_METHOD_ARRAY 标识位决定其指向的东西(是指 向单个 objc_method_list 还是一个 objc_method_list 指针数组)，如果 info 设置了 CLS_CLASS 则 objc_method_list 存储实例方法，如果设置的是 CLS_META 则存储类方法;
• cache:指向 objc_cache 的指针，用来缓存最近使用的方法，以 高效率;
• protocols:指向 objc_protocol_list 的指针，存储该类声明要遵守的正式协议。

一个类包含的信息也不就正是这些吗？没错，类对象就是一个结构体struct objc_class，这个结构体存放的数据称为元数据(metadata)，
该结构体的第一个成员变量也是isa指针，这就说明了Class本身其实也是一个对象，因此我们称之为类对象，类对象在编译期产生用于创建实例对象，是单例。

类对象中的元数据存储的都是如何创建一个实例的相关信息，那么类对象和类方法应该从哪里创建呢？
就是从isa指针指向的结构体创建，类对象的isa指针指向的我们称之为元类(metaclass)，
元类中保存了创建类对象以及类方法所需的所有信息，因此整个结构应该如下图所示:

如图所示
每一个实例包含一个isa对象
isa指向类，类是一个objc_class结构体，包含实例的方法列表，参数列表，category等，除此之外，objc_class中还有一个super_class，指向其类的父类，isa指针，这里的isa指针指向元类，即metaClass,元类存储类方法等信息
元类里也包含isa指针，元类里的isa指针指向 根元类，根元类的isa指针指向自己
obj_msgSend发送实例消息的时候，先找到实例，然后通过实例的isa指针找到类的方法列表及参数列表等，如果找到，返回，如果没有找到，则通过super_class在其父类中重复此过程
obj_msgSend发送类消息的时候，通过类的isa,找到元类，然后流程与步骤4相同

Method(objc_method)

先看下定义

runtime.h
/// An opaque type that represents a method in a class definition.代表类定义中一个方法的不透明类型
typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}

Method和我们平时理解的函数是一致的，就是表示能够独立完成一个功能的一段代码，比如：

- (void)logName
{
    NSLog(@"name");
}

这段代码，就是一个函数。
我们来看下objc_method这个结构体的内容：

SEL method_name 方法名
char *method_types 方法类型
IMP method_imp 方法实现
在这个结构体重，我们已经看到了SEL和IMP，说明SEL和IMP其实都是Method的属性。

SEL(objc_selector)

先看下定义

Objc.h
/// An opaque type that represents a method selector.代表一个方法的不透明类型
typedef struct objc_selector *SEL;

objc_msgSend函数第二个参数类型为SEL，它是selector在Objective-C中的表示类型（Swift中是Selector类）。selector是方法选择器，可以理解为区分方法的 ID，而这个 ID 的数据结构是SEL:

@property SEL selector;
可以看到selector是SEL的一个实例。

A method selector is a C string that has been registered (or “mapped“) with the Objective-C runtime. Selectors generated by the compiler are automatically mapped by the runtime when the class is loaded.
其实selector就是个映射到方法的C字符串，你可以用 Objective-C 编译器命令@selector()或者 Runtime 系统的sel_registerName函数来获得一个 SEL 类型的方法选择器。

selector既然是一个string，我觉得应该是类似className+method的组合，命名规则有两条：

同一个类，selector不能重复
不同的类，selector可以重复
这也带来了一个弊端，我们在写C代码的时候，经常会用到函数重载，就是函数名相同，参数不同，但是这在Objective-C中是行不通的，因为selector只记了method的name，没有参数，所以没法区分不同的method。

SEL的作用

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    // 1.SEL类型的第一个作用, 配合对象/类来检查对象/类中有没有实现某一个方法
    /*
    SEL sel = @selector(setAge:);
    Person *p = [Person new];
    // 判断p对象中有没有实现-号开头的setAge:方法
    // 如果P对象实现了setAge:方法那么就会返回YES
    // 如果P对象没有实现setAge:方法那么就会返回NO
    BOOL flag = [p respondsToSelector:sel];
    NSLog(@"flag = %i", flag);
    
    // respondsToSelector注意点: 如果是通过一个对象来调用该方法那么会判断该对象有没有实现-号开头的方法
    // 如果是通过类来调用该方法, 那么会判断该类有没有实现+号开头的方法
    SEL sel1 = @selector(test);
    flag = [p respondsToSelector:sel1];
    NSLog(@"flag = %i", flag);
    
    flag = [Person respondsToSelector:sel1];
    NSLog(@"flag = %i", flag);
     */
    
    
    // 2.SEL类型的第二个作用, 配合对象/类来调用某一个SEL方法
    /*
    SEL sel = @selector(demo);
    Person *p = [Person new];
    // 调用p对象中sel类型对应的方法
    [p performSelector:sel];
    
    SEL sel1 = @selector(signalWithNumber:);
    // withObject: 需要传递的参数
    // 注意: 如果通过performSelector调用有参数的方法, 那么参数必须是对象类型,
    // 也就是说方法的形参必须接受的是一个对象, 因为withObject只能传递一个对象
    [p performSelector:sel1 withObject:@"13838383438"];
    
    SEL sel2 = @selector(setAge:);
    [p performSelector:sel2 withObject:@(5)];
    NSLog(@"age = %i", p.age);
    
    // 注意:performSelector最多只能传递2个参数
    SEL sel3 = @selector(sendMessageWithNumber:andContent:);
    [p performSelector:sel3 withObject:@"138383438" withObject:@"abcdefg"];
     */
    
    // 3.配合对象将SEL类型作为方法的形参
    Car *c = [Car new];
    SEL sel = @selector(run);
    
    Person *p = [Person new];
    [p makeObject:c andSel:sel];
    return 0;
}

@interface Car : NSObject
- (void)run;
@end

@interface Person : NSObject

@property int age;

+ (void)test;
- (void)demo;

- (void)signalWithNumber:(NSString *)number;

- (void)sendMessageWithNumber:(NSString *)number andContent:(NSString *)content;

// 调用传入对象的指定方法
- (void)makeObject:(id)obj andSel:(SEL)sel;
@end

#import "Person.h"

@implementation Person

+ (void)test
{
    NSLog(@"test");
}

- (void)demo
{
    NSLog(@"demo");
}

- (void)signalWithNumber:(NSString *)number
{
    NSLog(@"number = %@", number);
}

- (void)sendMessageWithNumber:(NSString *)number andContent:(NSString *)content
{
    NSLog(@"number = %@, content = %@", number, content);
}

- (void)makeObject:(id)obj andSel:(SEL)sel
{
    [obj performSelector:sel];
}
@end

IMP

看下IMP的定义

/// A pointer to the function of a method implementation.  指向一个方法实现的指针
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...); 
#endif

就是指向最终实现程序的内存地址的指针。
在iOS的Runtime中，Method通过selector和IMP两个属性，实现了快速查询方法及实现，相对提高了性能，又保持了灵活性。

类缓存(objc_cache)

当Objective-C运行时通过跟踪它的isa指针检查对象时，它可以找到一个实现许多方法的对象。然而，你可能只调用它们的一小部分，并且每次查找时，搜索所有选择器的类分派表没有意义。所以类实现一个缓存，每当你搜索一个类分派表，并找到相应的选择器，它把它放入它的缓存。所以当objc_msgSend查找一个类的选择器，它首先搜索类缓存。这是基于这样的理论：如果你在类上调用一个消息，你可能以后再次调用该消息。

为了加速消息分发， 系统会对方法和对应的地址进行缓存，就放在上述的objc_cache，所以在实际运行中，大部分常用的方法都是会被缓存起来的，Runtime系统实际上非常快，接近直接执行内存地址的程序速度。

Category(objc_category)

Category是表示一个指向分类的结构体的指针，其定义如下：

struct category_t { 
    const char *name; 
    classref_t cls; 
    struct method_list_t *instanceMethods; 
    struct method_list_t *classMethods;
    struct protocol_list_t *protocols;
    struct property_list_t *instanceProperties;
};

name：是指 class_name 而不是 category_name。
cls：要扩展的类对象，编译期间是不会定义的，而是在Runtime阶段通过name对 应到对应的类对象。
instanceMethods：category中所有给类添加的实例方法的列表。
classMethods：category中所有添加的类方法的列表。
protocols：category实现的所有协议的列表。
instanceProperties：表示Category里所有的properties，这就是我们可以通过objc_setAssociatedObject和objc_getAssociatedObject增加实例变量的原因，不过这个和一般的实例变量是不一样的。
从上面的category_t的结构体中可以看出，分类中可以添加实例方法，类方法，甚至可以实现协议，添加属性，不可以添加成员变量。

Runtime的消息传递

一个对象的方法像这样[obj foo]，编译器转成消息发送objc_msgSend(obj, foo)，Runtime时执行的流程是这样的：

1️⃣首先，通过obj的isa指针找到它的 class ;
2️⃣在 class 的 method list 找 foo ;
3️⃣如果 class 中没到 foo，继续往它的 superclass 中找 ;
4️⃣一旦找到 foo 这个函数，就去执行它的实现IMP 。

但这种实现有个问题，效率低。但一个class 往往只有 20% 的函数会被经常调用，可能占总调用次数的 80% 。每个消息都需要遍历一次objc_method_list 并不合理。如果把经常被调用的函数缓存下来，那可以大大提高函数查询的效率。这也就是objc_class 中另一个重要成员objc_cache 做的事情 - 再找到foo 之后，把foo 的method_name 作为key ，method_imp作为value 给存起来。当再次收到foo 消息的时候，可以直接在cache 里找到，避免去遍历objc_method_list。从前面的源代码可以看到objc_cache是存在objc_class 结构体中的。

objec_msgSend的方法定义如下：

OBJC_EXPORT id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)
那消息传递是怎么实现的呢？我们看看对象(object)，类(class)，方法(method)这几个的结构体：

//对象
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
//类
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;
//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;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;
//方法
struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}

1️⃣系统首先找到消息的接收对象，然后通过对象的isa找到它的类。
2️⃣在它的类中查找method_list，是否有selector方法。
3️⃣没有则查找父类的method_list。
4️⃣找到对应的method，执行它的IMP。
5️⃣转发IMP的return值。

Runtime的消息转发

前文介绍了进行一次发送消息会在相关的类对象中搜索方法列表，如果找不到则会沿着继承树向上一直搜索知道继承树根部（通常为NSObject），如果还是找不到并且消息转发都失败了就回执行doesNotRecognizeSelector:方法报unrecognized selector错。那么消息转发到底是什么呢？接下来将会逐一介绍最后的三次机会。

• 动态方法解析
• 备用接收者
• 完整消息转发

动态方法解析

首先，Objective-C运行时会调用 +resolveInstanceMethod:或者 +resolveClassMethod:，让你有机会提供一个函数实现。如果你添加了函数并返回YES， 那运行时系统就会重新启动一次消息发送的过程。

实现一个动态方法解析的例子如下：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    //执行foo函数
    [self performSelector:@selector(foo:)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(foo:)) {//如果是执行foo函数，就动态解析，指定新的IMP
        class_addMethod([self class], sel, (IMP)fooMethod, "v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

void fooMethod(id obj, SEL _cmd) {
    NSLog(@"Doing foo");//新的foo函数
}

打印结果：
2018-04-01 12:23:35.952670+0800 ocram[87546:23235469] Doing foo
可以看到虽然没有实现foo:这个函数，但是我们通过class_addMethod动态添加fooMethod函数，并执行fooMethod这个函数的IMP。从打印结果看，成功实现了。

如果resolve方法返回 NO ，运行时就会移到下一步：forwardingTargetForSelector。

备用接收者

如果目标对象实现了-forwardingTargetForSelector:，Runtime 这时就会调用这个方法，给你把这个消息转发给其他对象的机会。

实现一个备用接收者的例子如下：

#import "ViewController.h"
#import "objc/runtime.h"

@interface Person: NSObject

@end

@implementation Person

- (void)foo {
    NSLog(@"Doing foo");//Person的foo函数
}

@end

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    //执行foo函数
    [self performSelector:@selector(foo)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    return YES;//返回YES，进入下一步转发
}

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(foo)) {
        return [Person new];//返回Person对象，让Person对象接收这个消息
    }
    
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

@end

打印结果：
2018-04-01 12:45:04.757929+0800 ocram[88023:23260346] Doing foo
可以看到我们通过forwardingTargetForSelector把当前ViewController的方法转发给了Person去执行了。打印结果也证明我们成功实现了转发。

完整消息转发

如果在上一步还不能处理未知消息，则唯一能做的就是启用完整的消息转发机制了。
首先它会发送-methodSignatureForSelector:消息获得函数的参数和返回值类型。如果-methodSignatureForSelector:返回nil ，Runtime则会发出 -doesNotRecognizeSelector: 消息，程序这时也就挂掉了。如果返回了一个函数签名，Runtime就会创建一个NSInvocation 对象并发送 -forwardInvocation:消息给目标对象。

实现一个完整转发的例子如下：

#import "ViewController.h"
#import "objc/runtime.h"

@interface Person: NSObject

@end

@implementation Person

- (void)foo {
    NSLog(@"Doing foo");//Person的foo函数
}

@end

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    //执行foo函数
    [self performSelector:@selector(foo)];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    return YES;//返回YES，进入下一步转发
}

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    return nil;//返回nil，进入下一步转发
}

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"foo"]) {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];//签名，进入forwardInvocation
    }

    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    SEL sel = anInvocation.selector;

    Person *p = [Person new];
    if([p respondsToSelector:sel]) {
        [anInvocation invokeWithTarget:p];
    }
    else {
        [self doesNotRecognizeSelector:sel];
    }

}

@end

打印结果：
2018-04-01 13:00:45.423385+0800 ocram[88353:23279961] Doing foo

从打印结果来看，我们实现了完整的转发。通过签名，Runtime生成了一个对象anInvocation，发送给了forwardInvocation，我们在forwardInvocation方法里面让Person对象去执行了foo函数。签名参数v@:怎么解释呢，这里苹果文档Type Encodings有详细的解释。

Runtime的应用

1️⃣关联对象(Objective-C Associated Objects)给分类增加属性

我们都是知道分类是不能自定义属性和变量的。下面通过关联对象实现给分类添加属性。

关联对象Runtime提供了下面几个接口：

//关联对象
void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
//获取关联的对象
id objc_getAssociatedObject(id object, const void *key)
//移除关联的对象
void objc_removeAssociatedObjects(id object)

参数解释

id object：被关联的对象
const void *key：关联的key，要求唯一
id value：关联的对象
objc_AssociationPolicy policy：内存管理的策略

内存管理的策略

typedef OBJC_ENUM(uintptr_t, objc_AssociationPolicy) {
    OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN = 0,           /**< Specifies a weak reference to the associated object. */
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC = 1, /**< Specifies a strong reference to the associated object. 
                                            *   The association is not made atomically. */
    OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC = 3,   /**< Specifies that the associated object is copied. 
                                            *   The association is not made atomically. */
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN = 01401,       /**< Specifies a strong reference to the associated object.
                                            *   The association is made atomically. */
    OBJC_ASSOCIATION_COPY = 01403          /**< Specifies that the associated object is copied.
                                            *   The association is made atomically. */
};

下面实现一个UIView的Category添加自定义属性defaultColor。

#import "ViewController.h"
#import "objc/runtime.h"

@interface UIView (DefaultColor)

@property (nonatomic, strong) UIColor *defaultColor;

@end

@implementation UIView (DefaultColor)

@dynamic defaultColor;

static char kDefaultColorKey;

- (void)setDefaultColor:(UIColor *)defaultColor {
    objc_setAssociatedObject(self, &kDefaultColorKey, defaultColor, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}

- (id)defaultColor {
    return objc_getAssociatedObject(self, &kDefaultColorKey);
}

@end

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    
    UIView *test = [UIView new];
    test.defaultColor = [UIColor blackColor];
    NSLog(@"%@", test.defaultColor);
}

@end

打印结果：
2018-04-01 15:41:44.977732+0800 ocram[2053:63739] UIExtendedGrayColorSpace 0 1
打印结果来看，我们成功在分类上添加了一个属性，实现了它的setter和getter方法。
通过关联对象实现的属性的内存管理也是有ARC管理的，所以我们只需要给定适当的内存策略就行了，不需要操心对象的释放。

我们看看内存测量对于的属性修饰。

方法魔法(Method Swizzling)方法添加和替换和KVO实现

方法添加

实际上添加方法刚才在讲消息转发的时候，动态方法解析的时候就提到了。

//class_addMethod(Class  _Nullable __unsafe_unretained cls, SEL  _Nonnull name, IMP  _Nonnull imp, const char * _Nullable types)
class_addMethod([self class], sel, (IMP)fooMethod, "v@:");

• cls 被添加方法的类
• name 添加的方法的名称的SEL
• imp 方法的实现。该函数必须至少要有两个参数，self,_cmd
• 类型编码

方法替换

下面实现一个替换ViewController的viewDidLoad方法的例子。

@implementation ViewController

+ (void)load {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        Class class = [self class];
        SEL originalSelector = @selector(viewDidLoad);
        SEL swizzledSelector = @selector(jkviewDidLoad);

        Method originalMethod = class_getInstanceMethod(class,originalSelector);
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(class,swizzledSelector);

        //judge the method named  swizzledMethod is already existed.
        BOOL didAddMethod = class_addMethod(class, originalSelector, method_getImplementation(swizzledMethod), method_getTypeEncoding(swizzledMethod));
        // if swizzledMethod is already existed.
        if (didAddMethod) {
            class_replaceMethod(class, swizzledSelector, method_getImplementation(originalMethod), method_getTypeEncoding(originalMethod));
        }
        else {
            method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
        }
    });
}

- (void)jkviewDidLoad {
    NSLog(@"替换的方法");

    [self jkviewDidLoad];
}

- (void)viewDidLoad {
    NSLog(@"自带的方法");

    [super viewDidLoad];
}

@end

swizzling应该只在+load中完成。 在 Objective-C 的运行时中，每个类有两个方法都会自动调用。+load 是在一个类被初始装载时调用，+initialize是在应用第一次调用该类的类方法或实例方法前调用的。两个方法都是可选的，并且只有在方法被实现的情况下才会被调用。

swizzling应该只在dispatch_once 中完成,由于swizzling 改变了全局的状态，所以我们需要确保每个预防措施在运行时都是可用的。原子操作就是这样一个用于确保代码只会被执行一次的预防措施，就算是在不同的线程中也能确保代码只执行一次。Grand Central Dispatch 的 dispatch_once满足了所需要的需求，并且应该被当做使用swizzling 的初始化单例方法的标准。

实现图解如下图。

从图中可以看出，我们通过swizzling特性，将selectorC的方法实现IMPc与selectorN的方法实现IMPn交换了，当我们调用selectorC，也就是给对象发送selectorC消息时，所查找到的对应的方法实现就是IMPn而不是IMPc了。

KVO实现

全称是Key-value observing，翻译成键值观察。提供了一种当其它对象属性被修改的时候能通知当前对象的机制。再MVC大行其道的Cocoa中，KVO机制很适合实现model和controller类之间的通讯。
KVO的实现依赖于 Objective-C 强大的 Runtime，当观察某对象 A 时，KVO 机制动态创建一个对象A当前类的子类，并为这个新的子类重写了被观察属性 keyPath 的 setter 方法。setter 方法随后负责通知观察对象属性的改变状况。

Apple 使用了 isa-swizzling 来实现 KVO 。当观察对象A时，KVO机制动态创建一个新的名为：NSKVONotifying_A的新类，该类继承自对象A的本类，且 KVO 为 NSKVONotifying_A 重写观察属性的 setter 方法，setter 方法会负责在调用原 setter 方法之前和之后，通知所有观察对象属性值的更改情况。

NSKVONotifying_A 类剖析
NSLog(@"self->isa:%@",self->isa);  
NSLog(@"self class:%@",[self class]);  

在建立KVO监听前，打印结果为：

self->isa:A
self class:A

在建立KVO监听之后，打印结果为：

self->isa:NSKVONotifying_A
self class:A

在这个过程，被观察对象的 isa 指针从指向原来的 A 类，被KVO 机制修改为指向系统新创建的子类NSKVONotifying_A 类，来实现当前类属性值改变的监听；
所以当我们从应用层面上看来，完全没有意识到有新的类出现，这是系统“隐瞒”了对 KVO 的底层实现过程，让我们误以为还是原来的类。但是此时如果我们创建一个新的名为“NSKVONotifying_A”的类，就会发现系统运行到注册 KVO 的那段代码时程序就崩溃，因为系统在注册监听的时候动态创建了名为 NSKVONotifying_A 的中间类，并指向这个中间类了。

子类setter方法剖析
KVO 的键值观察通知依赖于 NSObject 的两个方法:willChangeValueForKey:和 didChangeValueForKey: ，在存取数值的前后分别调用 2 个方法：
被观察属性发生改变之前，willChangeValueForKey:被调用，通知系统该 keyPath 的属性值即将变更；
当改变发生后， didChangeValueForKey: 被调用，通知系统该keyPath 的属性值已经变更；之后， observeValueForKey:ofObject:change:context:也会被调用。且重写观察属性的setter 方法这种继承方式的注入是在运行时而不是编译时实现的。

KVO 为子类的观察者属性重写调用存取方法的工作原理在代码中相当于：

- (void)setName:(NSString *)newName { 
      [self willChangeValueForKey:@"name"];    //KVO 在调用存取方法之前总调用 
      [super setValue:newName forKey:@"name"]; //调用父类的存取方法 
      [self didChangeValueForKey:@"name"];     //KVO 在调用存取方法之后总调用
}

消息转发(热更新)解决Bug(JSPatch)

JSPatch 是一个 iOS 动态更新框架，只需在项目中引入极小的引擎，就可以使用 JavaScript 调用任何 Objective-C 原生接口，获得脚本语言的优势：为项目动态添加模块，或替换项目原生代码动态修复 bug。

关于消息转发，前面已经讲到过了，消息转发分为三级，我们可以在每级实现替换功能，实现消息转发，从而不会造成崩溃。JSPatch不仅能够实现消息转发，还可以实现方法添加、替换能一系列功能。

实现NSCoding的自动归档和自动解档

原理描述：用runtime提供的函数遍历Model自身所有属性，并对属性进行encode和decode操作。
核心方法：在Model的基类中重写方法：

- (id)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder {
    if (self = [super init]) {
        unsigned int outCount;
        Ivar * ivars = class_copyIvarList([self class], &outCount);
        for (int i = 0; i < outCount; i ++) {
            Ivar ivar = ivars[I];
            NSString * key = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
            [self setValue:[aDecoder decodeObjectForKey:key] forKey:key];
        }
    }
    return self;
}

- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder {
    unsigned int outCount;
    Ivar * ivars = class_copyIvarList([self class], &outCount);
    for (int i = 0; i < outCount; i ++) {
        Ivar ivar = ivars[I];
        NSString * key = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
        [aCoder encodeObject:[self valueForKey:key] forKey:key];
    }
}

实现字典和模型的自动转换(MJExtension)

原理描述：用runtime提供的函数遍历Model自身所有属性，如果属性在json中有对应的值，则将其赋值。
核心方法：在NSObject的分类中添加方法

- (instancetype)initWithDict:(NSDictionary *)dict {

    if (self = [self init]) {
        //(1)获取类的属性及属性对应的类型
        NSMutableArray * keys = [NSMutableArray array];
        NSMutableArray * attributes = [NSMutableArray array];
        /*
         * 例子
         * name = value3 attribute = T@"NSString",C,N,V_value3
         * name = value4 attribute = T^i,N,V_value4
         */
        unsigned int outCount;
        objc_property_t * properties = class_copyPropertyList([self class], &outCount);
        for (int i = 0; i < outCount; i ++) {
            objc_property_t property = properties[I];
            //通过property_getName函数获得属性的名字
            NSString * propertyName = [NSString stringWithCString:property_getName(property) encoding:NSUTF8StringEncoding];
            [keys addObject:propertyName];
            //通过property_getAttributes函数可以获得属性的名字和@encode编码
            NSString * propertyAttribute = [NSString stringWithCString:property_getAttributes(property) encoding:NSUTF8StringEncoding];
            [attributes addObject:propertyAttribute];
        }
        //立即释放properties指向的内存
        free(properties);

        //(2)根据类型给属性赋值
        for (NSString * key in keys) {
            if ([dict valueForKey:key] == nil) continue;
            [self setValue:[dict valueForKey:key] forKey:key];
        }
    }
    return self;

}

参考:
Runtime详解
Runtime通篇详解