Objective-C Runtime(二) 对象模型

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Objective-C语言是一门动态语言，它将很多静态语言在编译和链接时期做的事放到了运行时来处理。这种动态语言的优势在于：我们写代码时更具灵活性，如我们可以把消息转发给我们想要的对象，或者随意交换一个方法的实现等。

这种特性意味着Objective-C不仅需要一个编译器，还需要一个运行时系统来执行编译的代码。对于Objective-C来说，这个运行时系统就像一个操作系统一样：它让所有的工作可以正常的运行。这个运行时系统即Objc Runtime。Objc Runtime其实是一个Runtime库，它基本上是用C和汇编写的，这个库使得C语言有了面向对象的能力。

Runtime库主要做下面几件事：

1.封装：在这个库中，对象可以用C语言中的结构体表示，而方法可以用C函数来实现，另外再加上了一些额外的特性。这些结构体和函数被runtime函数封装后，我们就可以在程序运行时创建，检查，修改类、对象和它们的方法了。

2.找出方法的最终执行代码：当程序执行[object doSomething]时，会向消息接收者(object)发送一条消息(doSomething)，runtime会根据消息接收者是否能响应该消息而做出不同的反应。这将在后面详细介绍。

在这一系列文章中，我们将介绍runtime的基本工作原理，以及如何利用它让我们的程序变得更加灵活。在本文中，我们先来介绍一下类与对象，这是面向对象的基础，我们看看在Runtime中，类是如何实现的。

类与对象基础数据结构

Class

Objective-C类是由Class类型来表示的，它实际上是一个指向objc_class结构体的指针。它的定义如下：

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typedef struct objc_class *Class;

查看objc/runtime.h中objc_class结构体的定义如下：

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struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    Class super_class                       OBJC2_UNAVAILABLE;  // 父类
    const char *name                        OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类名
    long version                            OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类的版本信息，默认为0
    long info                               OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类信息，供运行期使用的一些位标识
    long instance_size                      OBJC2_UNAVAILABLE;  // 该类的实例变量大小
    struct objc_ivar_list *ivars            OBJC2_UNAVAILABLE;  // 该类的成员变量链表
    struct objc_method_list **methodLists   OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法定义的链表
    struct objc_cache *cache                OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法缓存
    struct objc_protocol_list *protocols    OBJC2_UNAVAILABLE;  // 协议链表
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

在这个定义中，下面几个字段是我们感兴趣的

1.isa：需要注意的是在Objective-C中，所有的类自身也是一个对象，这个对象的Class里面也有一个isa指针，它指向metaClass(元类)，我们会在后面介绍它。

2.super_class：指向该类的父类，如果该类已经是最顶层的根类(如NSObject或NSProxy)，则super_class为NULL。

3.cache：用于缓存最近使用的方法。一个接收者对象接收到一个消息时，它会根据isa指针去查找能够响应这个消息的对象。在实际使用中，这个对象只有一部分方法是常用的，很多方法其实很少用或者根本用不上。这种情况下，如果每次消息来时，我们都是methodLists中遍历一遍，性能势必很差。这时，cache就派上用场了。在我们每次调用过一个方法后，这个方法就会被缓存到cache列表中，下次调用的时候runtime就会优先去cache中查找，如果cache没有，才去methodLists中查找方法。这样，对于那些经常用到的方法的调用，但提高了调用的效率。

4.version：我们可以使用这个字段来提供类的版本信息。这对于对象的序列化非常有用，它可是让我们识别出不同类定义版本中实例变量布局的改变。

针对cache，我们用下面例子来说明其执行过程：

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NSArray *array = [[NSArray alloc] init];

其流程是：

1.[NSArray alloc]先被执行。因为NSArray没有+alloc方法，于是去父类NSObject去查找。

2.检测NSObject是否响应+alloc方法，发现响应，于是检测NSArray类，并根据其所需的内存空间大小开始分配内存空间，然后把isa指针指向NSArray类。同时，+alloc也被加进cache列表里面。

3.接着，执行-init方法，如果NSArray响应该方法，则直接将其加入cache；如果不响应，则去父类查找。

4.在后期的操作中，如果再以[[NSArray alloc] init]这种方式来创建数组，则会直接从cache中取出相应的方法，直接调用。

objc_object与id

objc_object是表示一个类的实例的结构体，它的定义如下(objc/objc.h)：

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struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
typedef struct objc_object *id;

可以看到，这个结构体只有一个字体，即指向其类的isa指针。这样，当我们向一个Objective-C对象发送消息时，运行时库会根据实例对象的isa指针找到这个实例对象所属的类。Runtime库会在类的方法列表及父类的方法列表中去寻找与消息对应的selector指向的方法。找到后即运行这个方法。

当创建一个特定类的实例对象时，分配的内存包含一个objc_object数据结构，然后是类的实例变量的数据。NSObject类的alloc和allocWithZone:方法使用函数class_createInstance来创建objc_object数据结构。

另外还有我们常见的id，它是一个objc_object结构类型的指针。它的存在可以让我们实现类似于C++中泛型的一些操作。该类型的对象可以转换为任何一种对象，有点类似于C语言中void *指针类型的作用。

objc_cache

上面提到了objc_class结构体中的cache字段，它用于缓存调用过的方法。这个字段是一个指向objc_cache结构体的指针，其定义如下：

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

该结构体的字段描述如下：

1.mask：一个整数，指定分配的缓存bucket的总数。在方法查找过程中，Objective-C runtime使用这个字段来确定开始线性查找数组的索引位置。指向方法selector的指针与该字段做一个AND位操作(index = (mask & selector))。这可以作为一个简单的hash散列算法。

2.occupied：一个整数，指定实际占用的缓存bucket的总数。

3.buckets：指向Method数据结构指针的数组。这个数组可能包含不超过mask+1个元素。需要注意的是，指针可能是NULL，表示这个缓存bucket没有被占用，另外被占用的bucket可能是不连续的。这个数组可能会随着时间而增长。

元类(Meta Class)

在上面我们提到，所有的类自身也是一个对象，我们可以向这个对象发送消息(即调用类方法)。如：

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NSArray *array = [NSArray array];

这个例子中，+array消息发送给了NSArray类，而这个NSArray也是一个对象。既然是对象，那么它也是一个objc_object指针，它包含一个指向其类的一个isa指针。那么这些就有一个问题了，这个isa指针指向什么呢？为了调用+array方法，这个类的isa指针必须指向一个包含这些类方法的一个objc_class结构体。这就引出了meta-class的概念

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meta-class是一个类对象的类。

当我们向一个对象发送消息时，runtime会在这个对象所属的这个类的方法列表中查找方法；而向一个类发送消息时，会在这个类的meta-class的方法列表中查找。

meta-class之所以重要，是因为它存储着一个类的所有类方法。每个类都会有一个单独的meta-class，因为每个类的类方法基本不可能完全相同。

再深入一下，meta-class也是一个类，也可以向它发送一个消息，那么它的isa又是指向什么呢？为了不让这种结构无限延伸下去，Objective-C的设计者让所有的meta-class的isa指向基类的meta-class，以此作为它们的所属类。即，任何NSObject继承体系下的meta-class都使用NSObject的meta-class作为自己的所属类，而基类的meta-class的isa指针是指向它自己。这样就形成了一个完美的闭环。

通过上面的描述，再加上对objc_class结构体中super_class指针的分析，我们就可以描绘出类及相应meta-class类的一个继承体系了，

  1. 类C的类对象(class object)的super_class都指向了类C父类的类对象(class object), NSObject的类对像的super_class指向0x0

  2. 类C的类对象(class object)的isa指针都指向他的元类对象(metaclass object)

  3. 类C的元类对象(metaclass object)的super_class指针指向父类的元类对象(metaclass object), 例外：NSObject的元类对象(metaclass object)的super_class指向NSObject的类对象(class object).

  4. 类C的元类对象(metaclass object)的isa指针指都指向NSObject的元类对象(metaclass object)

NSObject的实例对象(虽然它没有实例变量和实例方法但这个对象仍然存在)其super_class指向地址0x0，因为NSObject没有父类, 这满足上面的结论1。

NSObject的实例对象的isa指向了NSObject的元类对象(metaclass object)，这满足上面结论2。

NSObject的元类对象(metaclass object)指向了自己，这也满足上面结论4。