Runtime - 消息发送原理

Runtime - 消息发送原理.

Objective-C运行时的核心就在于消息分派器objc_msgSend，消息分派器把选择器映射为函数指针，并调用被引用的函数。 要想理解objc_msgSend的背后原理，先来理解下NSInvocation这个类。

NSInvocation是命令模式的一种传统实现，它把一个目标、一个选择器、一个方法签名和所有的参数都塞进一个对象里，这个对象可以先存储起来，以备将来调用。当NSInvocation被调用时，它会发送信息，Objective-C运行时会找到正确的方法实现来执行。我们通过一个例子来理解下NSInvocation的作用，比如[NSObject alloc]，此时会发送一个alloc消息，这条消息都包含什么内容呢？它怎么找到alloc的实现方法呢？这些都是通过NSInvocation来完成的，它包含了消息要传递的内容，也告诉了该怎么找到对应的方法实现。

解释一下什么是方法实现？一个方法实现(IMP)是一个指向具有如下签名的C函数的函数指针，注意是指针。

1	id function(id self, SEL _cmd, ...)

NSInvocation包含了一个目标和选择器，目标是一个可接受的对象，选择器则是被发送的消息。比如[NSObject alloc]，目标就是NSObject，选择器就是alloc。一个选择器大致是一个方法的名称，之所以说是大致是因为选择器不必精确映射到方法。比如[NSString length]和[NSData length]会映射到不同方法的实现，但他们拥有相同的选择器。

NSInvocation还包含一个方法签名(NSMethodSignature)，它封装了一个方法的返回类型和参数类型，记住它不包括方法名称，只有返回类型和参数类型。你可以手动创建一个方法签名，如下：

1	NSMethodSignature *sig = [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"@@:*"];

但是应该尽可能少使用signatureWithObjCTypes:方法，获得方法签名常用的方法是为它请求一个类或实例，比如可以使用methodSignatureForSelector:方法从实例中请求实例方法签名，或者从类中请求类方法签名。也可以使用instanceMethodSignatureForSelector:方法从一个类中获取实例方法签名。两个方法有点绕口，我们通过一个例子来看下区别：

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SEL initSEL = @selector(init); SEL allocSEL = @selector(alloc);   // 从NSString类中获取实例方法(init)的方法签名 NSMethodSignature *initSig = [NSString instanceMethodSignatureForSelector:initSEL]; // 从test实例中获取实例方法(init)的方法签名 initSig = [@"test" methodSignatureForSelector:initSEL]; // 从NSString类中获取类方法签名 NSMethodSignature *allocSig = [NSString methodSignatureForSelector:allocSEL];

最后，NSInvocation还包含了所有的参数。至此，对于[NSString length]和[NSData length]就可以通过NSInvocation对象包含的信息，找到它们分别对应的方法实现。我们来看一个具体的例子，如下：

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NSMutableSet *set = [NSMutableSet set]; NSString *stuff = @"stuff"; SEL selector = @selector(addObject:); NSMethodSignature *sig = [set methodSignatureForSelector:selector]; 44 NSInvocation *invocation = [NSInvocation invocationWithMethodSignature:sig]; [invocation setTarget:set]; [invocation setSelector:selector]; [invocation setArgument:&stuff atIndex:2]; [invocation invoke]; 44 NSLog(@"set is : %@", set);

注意，第一个参数被置于索引2处，索引0是目标(self)，索引1是选择器(_cmd)，NSInvocation会自动设置它们。另外，必须把参数指针传递给参数，而不能传递参数本身。

接下来重点要介绍下消息传递是如何工作的？

在Objective-C中调用方法最终会翻译成调用方法实现的函数指针，并传递给这个方法实现一个对象指针、一个选择器和一组函数参数。每个Objective-C消息表达式都会转化为对objc_msgSend的调用，看下objc_msgSend的工作方式：

1. 检查接受对象是否为nil，如果是nil，调用nil处理程序。

2. 检查缓存中是不是已经有方法实现了，有的话，直接调用。

3. 比较请求的选择器和类中定义的选择器，如果找到了，调用方法实现。

4.比较请求的选择器和父类中定义的选择器，然后是父类的父类，以此类推，如果找到了选择器，调用方法实现。

5. 调用resolveInstanceMethod:(或resolveClassMethod)。如果它返回YES，那么重新开始。这一次对象会响应这个选择器，一般是因为它已经调用过class_addMethod。

6. 调用forwardingTargetForSelector:，如果返回非nil，那就把消息发送到返回的对象上，这里不要返回self，否则会形成死循环的。

7.调用methodSignatureForSelector:，如果返回非nil，创建一个NSInvocation并传给forwardInvocation:。

8. 调用doesNotRecognizeSelector:，默认的实现是抛出异常。

先看下第5步，首先可以想到的就是用resolveInstanceMethod:和resolveClassMethod:在运行时提供实现，这通常是@dynamic合成属性的处理方式。简单来说，就是需要自己实现属性的getter和setter方法，通过resolveInstanceMethod:方法来把setter方法和getter方法和属性绑定在一起。

如果第5步返回NO的话，系统接着会首先尝试一次快速转发，也就是调用forwardingTargetForSelector:，看其能否返回一个对象，如果有对象返回，就转发给返回的对象。快速转发的原理其实就是先从缓存里找下是否存在对应的选择器。

如果快速转发返回nil的话，接下来就进行普通的转发，调用forwardInvocation进行普通的转发。

objc_msgSend还有几个相关的函数：objc_msgSend_fpret、objc_msgSendSuper、objc_msgSend_stret、objc_msgSendSuper_stret。SendSuper格式的函数很明显是把消息发送给父类，而带stret的在返回结构体时处理大部分情况。在Intel处理器上返回浮点数时，带fpret的函数处理大部分情况。

方法混写(Method Swizzling)与ISA混写(Isa Swizzling)

在Objective-C中，混写（Swizzling）是指透明地把一个东西换成另一个，我们可以利用Objective-C中的运行时来实现混写。我们先看下方法混写，Objective-C提供了以下API来动态替换类方法或实例方法的实现：

• class_replaceMethod替换类方法的定义。

• method_exchangeImplementations交换两个方法的实现。

• method_setImplementation设置一个方法的实现。

我们来看下三者的区别：

• class_replaceMethod，当需要替换的方法有可能不存在时，可以考虑使用该方法。

• method_exchangeImplementations，当需要交换两个方法的实现时使用。

• method_setImplementation是最简单的用法，当仅仅需要为一个方法设置其实现方式时使用。

系统中提供的KVO使用到了isa混写，具体是怎么实现的呢？当你观察一个对象时，一个新的类会被自动创建，这个新类继承自该对象的原本的类，并且重写了被观察属性setter方法。重写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：值的更改。最后通过isa混写，把这个对象的isa指针指向这个新创建的子类，对象就神奇的变成了新创建的子类的实例。

注意一点：把isa指针指向新创建的子类，被观察的对象就变成了新创建子类的对象实例，这是由于isa指针永远指向其对应的类。用一张图来说明下：

键值观察通知依赖于NSObject的两个方法：willChangeValueForKey:和didChangeValueForKey:。在一个被观察属性发生改变之前，willChangeValueForKey:一定会被调用，这就会记录旧的值。而当改变之后，didChangeValueForKey:会被调用，继而obserValueForKey:ofObject:change:context:也会被调用。可以手动实现这些调用，但很少有人这么做。一般我们希望能控制回调的调用时机时才会这么做。

使用KVO的一个明显的优势就是零开销观察的优势，如果给定的实例没有观察者，那么KVO不会有任何消耗，因为根本没有KVO代码。而即使没有观察者，对于委托方法和NSNotification还得工作。