Runtime在工作中的运用

ゝ一纸荒年。 2022-01-20 07:23 230阅读 0赞

> 这篇文章是笔者结合一些参考文章和当初学习Runtime的心得而写的一篇总结，主要讲解Runtime在工作中的运用，没有涉及到太底层的知识，极尽详略，适合初中级学者，水平有限，有错误的地方，还请大佬在评论中指出，一起快乐学习。持续更新中。。。

#### 1.Runtime简介 ####

*  **Runtime** 简称运行时，是一套C语言的API（引入 `<objc/runtime.h>` 或`<objc/message.h>`）。**OC 就是运行时机制**，也就是在运行时候的一些机制，其中最主要的是 **消息机制**。
 *  对于C语言，函数的调用在编译的时候会决定调用哪个函数。
 *  对于OC，函数的调用称为消息发送，属于**动态调用过程**。在编译的时候并不能决定真正调用哪个函数，只有在真正运行的时候才会根据函数的名称找到对应的函数来调用。

#### 2.Runtime消息机制 ####

**消息机制原理**：对象根据方法编号SEL去映射表查找对应的方法实现。

**验证**：

1.在main.m中创建一个对象；

id object = [NSObject alloc];
    object = [object init];
    复制代码

2.终端切换到该目录下，执行命令`clang -rewrite-objc main.m`，编译后会生成一个main.cpp(C++文件)；

3.在.cpp文件中搜索`autoreleasepool`，可以找到上述对象创建的底层代码；

id object = ((NSObject *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("alloc"));
    object = ((id (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)object, sel_registerName("init"));
    复制代码

可以看出**调用方法本质就是发消息**。`[[NSObject alloc]init]`语句发了两次消息，第一次发了alloc 消息，第二次发送init 消息。

4.我们自己来尝试实现，首先导入头文件 `#import <objc/message.h>`，然后让消息机制方法有提示（【`build setting` \-> 搜索`msg` \-> `objc_msgSend`（YES --> NO）】)。

id object = objc_msgSend(objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("alloc"));
    object = objc_msgSend(object, sel_registerName("init"));
    /**
     objc_getClass(const char *name) 获取当前类
     sel_registerName(const char *str) 注册个方法编号
     objc_msgSend(id self：谁发送消息, SEL op：发送什么消息, ...:参数)
     */
    复制代码

换个写法:

id objc = objc_msgSend([NSObject class], @selector(alloc));
    objc = objc_msgSend(objc, @selector(init));
    复制代码

参数处理：

objc_msgSend(p, sel_registerName("height:"), 180);
    复制代码

**注：**

objc\_msgSend：这是个最基本的用于发送消息的函数。

其实编译器会根据情况在`objc_msgSend` ，`objc_msgSend_fpret` ，`objc_msgSend_stret`，`objc_msgSendSuper`， 或 `objc_msgSendSuper_stret` 五个方法中选择一个来调用。

如果消息是传递给超类，那么会调用名字带有 `Super` 的函数；

如果消息返回值是浮点数，那么会调用名字带有`fpret` 的函数；

如果消息返回值是数据结构而不是简单值时，那么会调用名字带有`stret`的函数。

#### 3.Runtime方法调用流程 ####

*  对象方法：(保存到类对象的方法列表)
 *  类方法：(保存到元类(`Meta Class`)中方法列表)

**1.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`时执行的流程是什么样的呐？

1.首先，通过`obj`的`isa`指针找到它的 `class` ;  
2.注册方法编号`SEL`,可以快速查找；  
3.根据方法编号，在 `class` 的 `method list` 找 `foo` ;  
3.如果 `class` 中没到 `foo`，继续往它的 `superclass` 中找 ;  
4.一旦找到 `foo` 这个函数，就去执行它的实现`IMP` 。

**2.Runtime的三次转发流程**：

**动态方法解析**：

`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，那运行时系统就会重新启动一次消息发送的过程(动态添加方法)。如果未实现方法，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。如果还不能处理未知消息，就会进入完整消息转发阶段。

**完整消息转发**：

**Runtime**系统会向对象发送`methodSignatureForSelector:`消息，并取到返回的方法签名用于生成NSInvocation对象。为接下来的完整的消息转发生成一个 NSMethodSignature对象。NSMethodSignature 对象会被包装成 NSInvocation 对象，forwardInvocation: 方法里就可以对 NSInvocation 进行处理了。如果未实现，Runtime则会发出 `-doesNotRecognizeSelector:` 消息，程序这时也就挂掉了。

#### 4.Runtime动态添加方法 ####

**使用场景**：如果一个类方法非常多，加载类到内存的时候也比较耗费资源，需要给每个方法生成映射表，可以使用动态给某个类，添加方法解决。

**经典面试题**：有没有使用performSelector，其实主要想问你有没有动态添加过方法。

**方法介绍**：

// 参数1：给哪个类添加方法
    // 参数2：添加方法的方法编号SEL
    // 参数3：添加方法的函数实现IMP（函数地址）
    // 参数4：函数的类型，(返回值+参数类型)
    class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char * types)
    复制代码

**注**：

1.class\_addMethod会添加一个覆盖父类的实现，但不会取代原有类的实现。

2.[函数的类型官方文档][Link 1]

**方法示例**：

假如`Person`对象调用`eat`方法，而该方法并没有实现，则会报错。我们可以利用`Runtime`在`Person`类中动态添加`eat`方法，来实现该方法的调用。

@implementation ViewController
    
    - (void)viewDidLoad {
        [super viewDidLoad];
        
        Person *p = objc_msgSend(objc_getClass("Person"), sel_registerName("alloc"));
        p = objc_msgSend(p, sel_registerName("init"));
    
        [p performSelector:@selector(eat)];
    }
    
    @end
    复制代码

@implementation Person
    
    /**
     void的前面没有+、-号，因为只是C的代码;
     必须有两个指定参数(id self,SEL _cmd)
     */
    void eat(id self, SEL sel)
    {
        NSLog(@"%@ %@",self,NSStringFromSelector(sel));
    }
    
    // 当一个对象调用未实现的方法，会调用这个方法处理,并且会把对应的方法列表传过来.
    + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel
    {
        if (sel == @selector(eat)) {
            //函数的类型，(返回值+参数类型) v:void @:对象->self :表示SEL->_cmd
            class_addMethod(self, sel, (IMP)eat, "v@:");
        }
        return [super resolveInstanceMethod:sel];
    }
    
    @end
    复制代码

#### 5.Runtime方法交换(Method Swizzling) ####

**使用场景**：当第三方框架或者系统原生方法功能不能满足我们的时候，我们可以在保持系统原有方法功能的基础上，添加额外的功能。

**方法介绍**：

// 交换方法地址,交换两个方法的实现
    method_exchangeImplementations(Method m1, Method m2)
    复制代码

**方法封装**：为了后续调用方便，我们可以将`Method Swizzling`功能封装为类方法，作为`NSObject`的类别。

@interface NSObject (Swizzling)
    
    + (void)methodSwizzlingWithOriginalSelector:(SEL)originalSelector
                             bySwizzledSelector:(SEL)swizzledSelector;
    
    @end
    复制代码

#import "NSObject+Swizzling.h"
    #import <objc/message.h>
    
    @implementation NSObject (Swizzling)
    
    + (void)methodSwizzlingWithOriginalSelector:(SEL)originalSelector bySwizzledSelector:(SEL)swizzledSelector
    {
        Class class = [self class];
        //原有方法
        Method originalMethod = class_getInstanceMethod(class, originalSelector);
        //替换原有方法的新方法
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(class, swizzledSelector);
        //先尝试給源SEL添加IMP，这里是为了避免源SEL没有实现IMP的情况
        BOOL didAddMethod =
        class_addMethod(class,
                        originalSelector,
                        method_getImplementation(swizzledMethod),
                        method_getTypeEncoding(swizzledMethod));
        if (didAddMethod) {//添加成功：说明源SEL没有实现IMP，将源SEL的IMP替换到交换SEL的IMP
            class_replaceMethod(class,
                                swizzledSelector,
                                method_getImplementation(originalMethod),
                                method_getTypeEncoding(originalMethod));
        } else {//添加失败：说明源SEL已经有IMP，直接将两个SEL的IMP交换即可
            method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
        }
    }
    @end
    复制代码

\*\*方法示例：\*\*例如我们想要替换ViewController生命周期方法，可以这样做。

#import "UIViewController+Swizzling.h"
    #import "NSObject+Swizzling.h"
    
    @implementation UIViewController (Swizzling)
    
    + (void)load
    {
        static dispatch_once_t onceToken;
        dispatch_once(&onceToken, ^{
            [self methodSwizzlingWithOriginalSelector:@selector(viewWillAppear:) bySwizzledSelector:@selector(mj_viewWillAppear:)];
        });
    }
    
    - (void)mj_viewWillAppear:(BOOL)animated{
        [self mj_viewWillAppear:animated];
        
        NSLog(@"被调用了");
    }
    @end
    复制代码

**注**：

1.`swizzling`建议在`+load`中完成。`+load` 和 `+initialize` 是Objective-C runtime会自动调用两个类方法。`+load` 是在一个类被初始加载时调用，一定会被调用；`+initialize` 是在应用第一次调用该类的类方法或实例方法前调用，相当于懒加载方式，可能不被调用。此外 `+load` 方法还有一个非常重要的特性，那就是子类、父类和分类中的 `+load` 方法的实现是被区别对待的。换句话说在 Objective-C runtime 自动调用 `+load` 方法时，分类中的 `+load` 方法并不会对主类中的 `+load` 方法造成覆盖。

2.`swizzling`应该只在`dispatch_once` 中完成,由于`swizzling` 改变了全局的状态，所以我们需要确保在任何情况下（多线程环境，或者被其他人手动再次调用+load方法）**只交换一次，防止再次调用又将方法交换回来**。+load方法本身即为线程安全，为什么仍需添加dispatch\_once，其原因就在于+load方法本身无法保证其中代码只被执行一次。

#### 6.Runtime动态添加属性 ####

**场景**：分类是不能自定义属性和变量的，这时候可以使用runtime动态添加属性方法；

**原理**：给一个类声明属性，其实本质就是给这个类添加关联，并不是直接把这个值的内存空间添加到类存空间。

**方法**：

/** 关联对象、set方法
    id object：给哪个对象添加关联，给哪个对象设置属性
    const void *key：关联的key，要求唯一，建议用char 可以节省字节
    id value：关联的value，给属性设置的值
    objc_AssociationPolicy policy：内存管理的策略
    */
    void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
    // 获取关联的对象、get方法
    id objc_getAssociatedObject(id object, const void *key)
    // 移除关联的对象
    void objc_removeAssociatedObjects(id object)
    复制代码

内存策略对应的属性修饰表：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>内存策略</th> 
   <th>属性修饰</th> 
   <th style="text-align:center;">描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN</td> 
   <td>@property (assign) 或 @property (unsafe_unretained)</td> 
   <td style="text-align:center;">指定一个关联对象的弱引用。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC</td> 
   <td>@property (nonatomic, strong)</td> 
   <td style="text-align:center;">@property (nonatomic, strong) 指定一个关联对象的强引用，不能被原子化使用。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC</td> 
   <td>@property (nonatomic, copy)</td> 
   <td style="text-align:center;">指定一个关联对象的copy引用，不能被原子化使用。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>OBJC_ASSOCIATION_RETAIN</td> 
   <td>@property (atomic, strong)</td> 
   <td style="text-align:center;">指定一个关联对象的强引用，能被原子化使用。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>OBJC_ASSOCIATION_COPY</td> 
   <td>@property (atomic, copy)</td> 
   <td style="text-align:center;">指定一个关联对象的copy引用，能被原子化使用。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**示例**：实现一个`UIView`的`Category`添加自定义属性`defaultColor`。

@interface UIView (Color)
    
    @property (nonatomic, strong) UIColor *defaultColor;
    
    @end
      
    @implementation UIView (Color)
    
    static char kDefaultColorKey;
    - (void)setDefaultColor:(UIColor *)defaultColor
    {
        objc_setAssociatedObject(self, &kDefaultColorKey, defaultColor, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
    }
    
    - (id)defaultColor {
        return objc_getAssociatedObject(self, &kDefaultColorKey);
    }
    
    @end
    复制代码

#### 7.NSCoding自动归档解档 ####

**场景**：如果一个模型有许多个属性，实现自定义模型数据持久化时，需要对每个属性都实现一遍`encodeObject` 和 `decodeObjectForKey`方法，比较麻烦。我们可以使用Runtime来解决。

**原理**：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。

**方法实现**：

#import "MJMusicModel.h"
    #import <objc/runtime.h>
    
    @implementation MJMusicModel
    
    // 设置不需要归解档的属性
    - (NSArray *)ignoredNames {
        return @[@"_musicUrl"];
    }
    
    // 归档调用方法
    - (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)encoder
    {
        unsigned int count = 0;
        // 获得这个类的所有成员变量
        Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &count);
        for (int i = 0; i<count; i++) {
            // 取出i位置对应的成员变量
            Ivar ivar = ivars[i];
            // 获得成员变量的名字
            const char *name = ivar_getName(ivar);
            // 将每个成员变量名转换为NSString对象类型
            NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name];
            // 忽略不需要归档的属性
            if ([[self ignoredNames] containsObject:key]) {
                continue;
            }
            // 归档
            id value = [self valueForKey:key];
            [encoder encodeObject:value forKey:key];
        }
        // 注意释放内存！
        free(ivars);
    }
    
    // 解档方法
    - (id)initWithCoder:(NSCoder *)decoder
    {
        if (self = [super init]) {
            unsigned int count = 0;
            Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &count);
            for (int i = 0; i<count; i++) {
                // 取出i位置对应的成员变量
                Ivar ivar = ivars[i];
                // 获得成员变量的名字
                const char *name = ivar_getName(ivar);
                // 将每个成员变量名转换为NSString对象类型
                NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name];
                // 忽略不需要解档的属性
                if ([[self ignoredNames] containsObject:key]) {
                    continue;
                }
                // 解档
                id value = [decoder decodeObjectForKey:key];
                // 设置到成员变量身上
                [self setValue:value forKey:key];
            }
            free(ivars);
        }
        return self;
    }
    
    @end
    复制代码

**注**：我们可以将归解档两个方法封装为宏，在需要的地方一句宏搞定；也可以写到NSObject一个分类中，方便使用。

#### 8.Runtime字典转模型 ####

**原理**：利用Runtime，遍历模型中所有属性，根据模型的属性名，去字典中查找`key`，取出对应的值，给模型的属性赋值。

**步骤**：提供一个NSObject分类，专门字典转模型，以后所有模型都可以通过这个分类实现字典转模型。

接下来分别介绍一下三种情况所实现的代码：

**1.简单的字典转模型**

注意：模型属性数量大于字典的键值对时，由于属性没有对应值会被赋值为nil，就会导致crash，所以我们要加一个判断，获取到`Value`时，才给模型中属性赋值。

NSDictionary *dict = @{
                               @"name" : @"xiaoming",
                               @"age"  : @25,
                               @"weight" : @"60kg",
                               @"height" : @1.81
                               };
    复制代码

#import "NSObject+Model.h"
    #import <objc/message.h>
    
    @implementation NSObject (Model)
    
    + (instancetype)modelWithDict:(NSDictionary *)dict
    {
        // 创建对应的对象
        id objc = [[self alloc] init];
        
        // 成员变量个数
        unsigned int count = 0;
        // 获取类中的所有成员变量
        Ivar *ivars = class_copyIvarList(self, &count);
        
        // 遍历所有成员变量
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            // 根据角标，从数组取出对应的成员变量（Ivar：成员变量,以下划线开头）
            Ivar ivar = ivars[i];
            
            // 获取成员变量名字
            NSString *ivarName = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getName(ivar)];
            
            // 处理成员变量名->字典中的key(去掉 _ ,从第一个角标开始截取)
            NSString *key = [ivarName substringFromIndex:1];
            
            // 根据成员属性名去字典中查找对应的value
            id value = dict[key];
    
            if (value) {  
                // 给模型中属性赋值
                [objc setValue:value forKey:key];
            }
        }
        // 释放ivars
        free(ivars);
        
        return objc;
    }
    @end
    
    复制代码

**2.模型中嵌套模型**（模型属性是另外一个模型对象）

利用runtime的`ivar_getTypeEncoding` 方法获取模型对象类型，对该模型对象类型再进行字典转模型，也就是进行递归，需要注意的是要排除系统的对象类型，例如`NSString`。

NSDictionary *dict2 = @{
                               @"name" : @"xiaoming",
                               @"age"  : @25,
                               @"body" :@{
                                          @"weight" : @"65kg",
                                          @"height" : @1.82
                                         }
                               };
    复制代码

// runtime字典转模型二级转换：字典->字典；如果字典中还有字典，也需要把对应的字典转换成模型
    if ([value isKindOfClass:[NSDictionary class]]) {
    
        // 获取成员变量类型
        NSString *ivarType = [NSString stringWithUTF8String:ivar_getTypeEncoding(ivar)];
    
        // 替换: @\"User\" -> User ivarType = [ivarType stringByReplacingOccurrencesOfString:@"\"" withString:@""];
        ivarType = [ivarType stringByReplacingOccurrencesOfString:@"@" withString:@""];
    
        if (![ivarType hasPrefix:@"NS"]) {
            // 字典转换成模型,根据字符串类名生成类对象
            Class modelClass = NSClassFromString(ivarType);
            if (modelClass) { // 有对应的模型才需要转
                // 把字典转模型
                value = [modelClass modelWithDict:value];
            }
        }
    }
    复制代码

**3.数组中装着模型**（模型的属性是一个数组，数组中是一个个模型对象）

拦截到模型的数组属性，进而对数组中每个模型遍历并字典转模型，但是我们不知道数组中的模型都是什么类型，需要声明一个方法，该方法目的不是让其调用，而是让其实现并返回模型的类型。

NSDictionary *dict3 = @{
                                @"name" : @"xiaoming",
                                @"age"  : @25,
                                @"body" :@{
                                        @"weight" : @"65kg",
                                        @"height" : @1.82
                                        },
                                @"children" : @[
                                        @{
                                            @"sex" : @"男",
                                            @"love" : @"篮球",
                                            },
                                        @{
                                            @"sex" : @"nv",
                                            @"love" : @"钢琴",
                                            }
                                        ],
                                };
    复制代码

// runtime字典转模型三级转换：字典->数组->字典；NSArray中也是字典，把数组中的字典转换成模型.
    if ([value isKindOfClass:[NSArray class]]) {
        // 判断对应类有没有实现字典数组转模型数组的协议
        // arrayContainModelClass 提供一个协议，只要遵守这个协议的类，都能把数组中的字典转模型
        if ([self respondsToSelector:@selector(arrayContainModelClass)]) {
    
            // 转换成id类型，就能调用任何对象的方法
            id idSelf = self;
    
            // 获取数组中字典对应的模型
            NSString *type =  [idSelf arrayContainModelClass][key];
    
            // 生成模型
            Class classModel = NSClassFromString(type);
            NSMutableArray *arrM = [NSMutableArray array];
            // 遍历字典数组，生成模型数组
            for (NSDictionary *dict in value) {
                // 字典转模型
                id model =  [classModel modelWithDict:dict];
                [arrM addObject:model];
            }
    
            // 把模型数组赋值给value
            value = arrM;
        }
    }
    复制代码

#import <Foundation/Foundation.h>
    
    @protocol ModelDelegate <NSObject>
    
    @optional
    /**
     提供一个协议，只要遵守这个协议的类，都能把数组中的字典转模型
     */
    + (NSDictionary *)arrayContainModelClass;
    
    @end
    
    @interface NSObject (Model)
    
    /**
     dict -> model
     利用runtime 遍历模型中所有属性，根据模型中属性去字典中取出对应的value给模型属性赋值
     */
    + (instancetype)modelWithDict:(NSDictionary *)dict;
    
    @end
    复制代码

实现协议类：

+ (NSDictionary *)arrayContainModelClass
    {
        // 数组属性 : 数组中的类名
        return @{@"children" : @"MJChild"};
    }
    复制代码

> 不忙的时候，就整理知识，经过几天时间的努力，终于写好了。途中参考大量资料，并通过Demo验证其正确性，也算对自己的一次全面级的学习与复习。
> 
> 下一篇，会深入了解Runtime底层语言。
> 
> **I’m not perfect. But I keep trying.**

#### 参考文献： ####

苹果官方文档  
[OC最实用的runtime总结][OC_runtime]  
[让你快速上手Runtime][Runtime]  
[runtime详解][runtime]  
[iOS 模式详解—][iOS]  
[iOS Runtime详解][iOS Runtime]  
[装逼技术RunTime的总结篇][RunTime]

[Link 1]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fdeveloper.apple.com%2Flibrary%2Farchive%2Fdocumentation%2FCocoa%2FConceptual%2FObjCRuntimeGuide%2FArticles%2FocrtTypeEncodings.html%23%2F%2Fapple_ref%2Fdoc%2Fuid%2FTP40008048-CH100-SW1
[OC_runtime]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fwww.jianshu.com%2Fp%2Fab966e8a82e2
[Runtime]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fwww.jianshu.com%2Fp%2Fe071206103a4
[runtime]: https://link.juejin.im?target=https%3A%2F%2Fwww.jianshu.com%2Fp%2F46dd81402f63
[iOS]: https://juejin.im/post/593f77085c497d006ba389f0#heading-19
[iOS Runtime]: https://juejin.im/post/5ac0a6116fb9a028de44d717#heading-19
[RunTime]: https://juejin.im/post/59ee81615188250385370582