Runtime机制之结构体及操作函数

一、动态语言

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：具有灵活性，比如：消息转发，方法交换等。它有一个运行时系统Objc Runtime，其实是一个Runtime库，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。

1. runtime库主要做下面两件事：

• 封装：用c语言把对象封装成基本的数据结构，如：类结构体，对象结构体等。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。
• 找出方法的最终执行代码：把消息机制转换为函数的调用。

二、基本结构体

1. 类结构体：objc_class

• isa：指向该类对象所属类（即元类）的指针，根类的元类指向自己
• super_class：指向父类的指针，根类的父类指针指向NULL
• name：类名
• version：版本
• info：类信息
• instance_size：改类实例的大小
• ivars：属性链表
• methodLists：方法链表
• cache：方法缓存链表
• protocols：协议链表

typedef struct objc_class *Class;

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;

2. 实例对象结构体：objc_objective

• isa：指向所属类的指针。（仅仅一个指针）

typedef struct objc_object *id;

struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

3. 缓存方法链表结构体：objc_cache

• mask：可缓存方法的数量
• occupied：已缓存方法的数量
• buckets：指针数组，存储的是指针，指向已缓存的方法结构体

typedef struct objc_cache *cache;

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

4. 元类结构体（类对象所属类）

• 同类结构体一样，只是元类的isa指针都是指向根类NSObject元类，而根类的元类的isa指针指向自己。

我们都知道，实例对象拥有一个指向所属类的isa指针。那类本身也可以看成是所属类的对象，即类对象那它自然也拥有一个指向所属类的isa指针，这个指针指向的也是该类对象的所属类，即元类。所以，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，会在这个类的所属类，即元类meta-class的方法列表中查找。

5. 举例说明，看看以下代码如何执行的

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

• runtime库向类对象NSArray发送了alloc消息，类对象根据isa指针去所属类，即元类中查找响应的方法
• 在元类中，先查cache，再查methodLists，由于元类中没有方法alloc，便根据super_class指针去父类NSObjec中找查找
• 在父类中，同样先查cache，再查methodLists，在methodLists找到，立即响应消息
• 检测类NSArray中instance_size的大小，根据所需的空间大小分配内存
• 创建objc_objective结构体以及实例变量，把结构体的isa指针指向父类
• 把alloc方法缓存到自己的cache链表中
• runtime库又向刚创建好的实例对象发送init消息，对象根据isa指针去所属类NSArray中查找
• 先查cache，再查methodLists，查到后则响应
• 把实例对象中的实例变量初始化
• 把方法init缓存到cache链表中

三、类与对象操作函数

1. 类相关操作函数：以class为前缀命名

• class_getName 　　                       // 获取类名
• class_getSuperclass                       // 获取父类
• class_isMetaClass                          // 判断类是不是元类
• class_getInstanceSize                    // 获取实例大小
• class_getInstanceVariable              // 获取实例成员变量
• class_getClassVariable                   // 获取类成员变量
• class_addIvar                                // 添加实例变量
• class_copyIvarList                         // 获取整个成员变量表
• class_getProperty                         // 获取指定属性
• class_copyPropertyList                  // 获取整个属性表
• class_addProperty                         // 添加属性
• class_replaceProperty                   // 替换属性

• class_addMethod                         // 添加方法
• class_getInstanceMethod             // 获取实例方法
• class_getClassMethod                  // 获取类方法
• class_copyMethodList                  // 获取所有方法的数组
• class_replaceMethod                   // 替代方法的实现
• class_getMethodImplementation  // 返回方法的具体实现
• class_respondsToSelector            // 类实例是否响应指定的selector
• class_addProtocol                       // 添加协议
• class_conformsToProtocol            // 返回类是否实现指定的协议
• class_copyProtocolList                 // 返回类实现的协议列表
• class_getVersion                         // 获取版本号
• class_setVersion                         // 设置版本号

• 父类和元类

// 获取类的父类
Class class_getSuperclass ( Class cls );

// 判断给定的Class是否是一个元类
BOOL class_isMetaClass ( Class cls );

• • 类名　　

// 获取类的类名
const char * class_getName ( Class cls );

• • 成员变量大小　　

// 获取实例大小
size_t class_getInstanceSize ( Class cls );

• • 版本　　

// 获取版本号
int class_getVersion ( Class cls );

// 设置版本号
void class_setVersion ( Class cls, int version );

• • 成员变量　　

/** 成员变量操作函数 */

// 获取类中指定名称实例成员变量的信息
Ivar class_getInstanceVariable ( Class cls, const char *name );

// 获取类成员变量的信息
Ivar class_getClassVariable ( Class cls, const char *name );

// 添加成员变量
BOOL class_addIvar ( Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types );

// 获取整个成员变量列表
Ivar * class_copyIvarList ( Class cls, unsigned int *outCount );

• • 　　属性

/** 属性操作函数 */

// 获取指定的属性
objc_property_t class_getProperty ( Class cls, const char *name );

// 获取属性列表
objc_property_t * class_copyPropertyList ( Class cls, unsigned int *outCount );

// 为类添加属性
BOOL class_addProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );

// 替换类的属性
void class_replaceProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );

• • 方法　　

// 添加方法
BOOL class_addMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types );

// 获取实例方法
Method class_getInstanceMethod ( Class cls, SEL name );

// 获取类方法
Method class_getClassMethod ( Class cls, SEL name );

// 获取所有方法的数组
Method * class_copyMethodList ( Class cls, unsigned int *outCount );

// 替代方法的实现
IMP class_replaceMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types );

// 返回方法的具体实现
IMP class_getMethodImplementation ( Class cls, SEL name );
IMP class_getMethodImplementation_stret ( Class cls, SEL name );

// 类实例是否响应指定的selector
BOOL class_respondsToSelector ( Class cls, SEL sel );

• • 协议　　

// 添加协议
BOOL class_addProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );

// 返回类是否实现指定的协议
BOOL class_conformsToProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );

// 返回类实现的协议列表
Protocol * class_copyProtocolList ( Class cls, unsigned int *outCount );

2. 对象相关的操作函数，以object为前缀命名

• object_copy                                    // 返回指定对象的一份拷贝
• object_dispose                                // 释放指定对象占用的内存
• object_setInstanceVariable              // 修改类实例的实例变量的值
• object_getInstanceVariable              // 获取对象实例变量的值
• object_getIndexedIvars                   // 返回指向给定对象分配的任何额外字节的指针
• object_getIvar                                // 返回对象中实例变量的值
• object_setIvar                                // 设置对象中实例变量的值
• object_getClassName                      // 返回给定对象的类名
• object_getClass                              // 返回对象的类
• object_setClass                              // 设置对象的类

• • 　　针对整个对象进行操作的函数

// 返回指定对象的一份拷贝
id object_copy ( id obj, size_t size );

// 释放指定对象占用的内存
id object_dispose ( id obj );

• • 　　针对对象实例变量进行操作的函数

// 修改类实例的实例变量的值
Ivar object_setInstanceVariable ( id obj, const char *name, void *value );

// 获取对象实例变量的值
Ivar object_getInstanceVariable ( id obj, const char *name, void **outValue );

// 返回指向给定对象分配的任何额外字节的指针
void * object_getIndexedIvars ( id obj );

// 返回对象中实例变量的值
id object_getIvar ( id obj, Ivar ivar );

// 设置对象中实例变量的值
void object_setIvar ( id obj, Ivar ivar, id value );

• • 　　针对对象的类进行操作的函数

// 返回给定对象的类名
const char * object_getClassName ( id obj );

// 返回对象的类
Class object_getClass ( id obj );

// 设置对象的类
Class object_setClass ( id obj, Class cls );

四、动态创建类和对象

1. 动态创建类

• objc_allocateClassPair  // 创建一个新类和元类
• objc_disposeClassPair  // 销毁一个类及其相关联的类
• objc_registerClassPair // 在应用中注册由objc_allocateClassPair创建的类

// 创建一个新类和元类
Class objc_allocateClassPair ( Class superclass, const char *name, size_t extraBytes );

// 销毁一个类及其相关联的类
void objc_disposeClassPair ( Class cls );

// 在应用中注册由objc_allocateClassPair创建的类
void objc_registerClassPair ( Class cls );

2. 动态创建对象

• class_createInstance       // 创建类实例
• objc_constructInstance   // 在指定位置创建类实例
• objc_destructInstance    // 销毁类实例

// 创建类实例
id class_createInstance ( Class cls, size_t extraBytes );

// 在指定位置创建类实例
id objc_constructInstance ( Class cls, void *bytes );

// 销毁类实例
void * objc_destructInstance ( id obj );

五、获取类定义

1. Objective-C动态运行库会自动注册我们代码中定义的所有的类。我们也可以在运行时创建类定义并使用objc_addClass函数来注册它们。

// 获取已注册的类定义的列表
int objc_getClassList ( Class *buffer, int bufferCount );

// 创建并返回一个指向所有已注册类的指针列表
Class * objc_copyClassList ( unsigned int *outCount );

// 返回指定类的类定义
Class objc_lookUpClass ( const char *name );
Class objc_getClass ( const char *name );
Class objc_getRequiredClass ( const char *name );

// 返回指定类的元类
Class objc_getMetaClass ( const char *name );