在初学Objective-C的时候，觉得有很多陌生且奇怪的语法和特性。

比如NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];这种语法；比如尝试调用空指针的函数并不会导致crash这种特性。直到有机会深入了解Objective-C Runtime，才多少有了一些理解。

如果你也对这种看似奇怪的写法感到好奇的话，相信这篇文章能够解答你的疑问。

背景

动态编程语言

The Objective-C language defers as many decisions as it can from compile time and link time to runtime. Whenever possible, it does things dynamically.

Objective-C是一门“动态编程语言”，也就是尽可能把决策推迟到运行时。

什么是Objective-C Runtime

苹果官方文档给出的定义如下：

The Objective-C runtime is a runtime library that provides support for the dynamic properties of the Objective-C language, and as such is linked to by all Objective-C apps.

Objective-C的动态性主要体现在如下3个方面：

动态类型：在运行时才确认对象的类型
动态绑定：在运行时才确定对象的调用方法
动态加载：在运行时才加载需要的资源或代码

runtime就是为Objective-C提供上述动态特性的库，runtime赋予了C语言面向对象的能力。

为什么要了解Runtime

Runtime为Objective-C提供的动态特性，给开发者提供了更多灵活性，这种灵活性可以在解决一些复杂问题时提供更多方案。 Method Swizzling就是一个很好的例子，大家不妨思考一下下面问题的解决方案：

为现有项目中所有view设置统一的背景颜色。（或者更具实际意义的问题，在某些情况下需要将App中所有页面置灰）

一般想到的方案可能是统一继承一个父类，在父类中实现上述要求。基于Runtime的Method Swizzling可以提供更方便的解决方案。

另外了解Runtime也可以从底层辅助Debug。

总之，Runtime是一个重要知识点，接下来我们一起深入了解Runtime的运行机制。

Runtime

源码面前，了无秘密 ——《STL源码剖析》

对象和类的实现

上面提到Runtime为Objective-C提供动态类型、动态绑定等动态特性，在运行时才确定对象的类型、调用方法等信息。为此，我们首先需要了解Objective-C中对象是如何表示的，源码objc.h 中利用结构体表示对象：

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa;
};

可以看出，对象只是对Class（类）的简单封装，我们继续探究Class的含义：

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

objc_class在runtime.h 中给出了定义：

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa;
    Class _Nullable super_class;
    const char * _Nonnull name;
    long version;
    long info;
    long instance_size;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists;
    struct objc_cache * _Nonnull cache;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols;
};
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

上述结构体也就是Objective-C中类的表示方式，其中比较重要的成员包括：

ivars ，表示该Objective-C类的成员变量。

struct objc_ivar {
    char * _Nullable ivar_name;
    char * _Nullable ivar_type;
    int ivar_offset;
};

struct objc_ivar_list {
    int ivar_count;
    /* variable length structure */
    struct objc_ivar ivar_list[1];
};

methodLists，表示该Objective-C类中的函数

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name;
    char * _Nullable method_types;
    IMP _Nonnull method_imp;
};

struct objc_method_list {
    struct objc_method_list * _Nullable obsolete;
    int method_count;
    /* variable length structure */
    struct objc_method method_list[1];
};

cache，用于缓存函数，提升性能。关于cache在性能优化方面的作用，美团技术团队的文章《深入理解 Objective-C：方法缓存》值得一看。
```
struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */;
    unsigned int occupied;
    Method _Nullable buckets[1];
};
```

protocols：该Objective-C类中的协议（链表）

struct objc_protocol_list {
    struct objc_protocol_list * _Nullable next;
    long count;
    __unsafe_unretained Protocol * _Nullable list[1];
};

对象、类和元类

从上述源码中可以看到，对象结构体中只有一个类结构体指针，对象可以通过该指针找到与之对应的类，进而可以在类结构体中找到成员变量、成员函数等信息。在这里插入图片描述

类结构体中还包含两个类结构体指针：

isa
super_class

super_class比较容易理解，是指向父类的指针，利用该指针可以实现继承。

isa指针存在的作用又是什么呢？个人理解，一个重要作用是实现类函数。

In Objective-C, a class is itself an object with an opaque type calledClass. Classes can’t have properties defined using the declaration syntax shown earlier for instances, but they can receive messages.

类函数，顾名思义就是类拥有的函数。如果类本身也是一个对象的话，只要找到它对应的类结构体（meta-class）的话，就可以找到类函数了。在这里插入图片描述

类这个“对象”对应的类，称为元类（meta-class），每个类都有一个与之对应的元类。这样设计虽然方便，但也带来了一些问题，比如元类中isa指向哪里？元类的super_class指向哪里？下图给出了答案：在这里插入图片描述

元类的isa指向哪里？所有元类的isa指针都指向基类的元类。如果一个类没有父类，其元类就指向自身。
元类的super_class指向哪里？类对应元类的super_class指向该类父类的元类。

函数调用

In Objective-C, messages aren’t bound to method implementations until runtime. The compiler converts a message expression [receiver message] into a call on a messaging function,objc_msgSend. This function takes the receiverand the name of the method mentioned in the message—that is, the method selector—as its two principal parameters objc_msgSend(receiver, selector). Any argumentspassed in the message are also handed toobjc_msgSend objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2, ...)

我们知道，在Objective-C中，[object methodName]表示调用对象object的methodName方法。和C语言中直接按函数地址取用不同，Objective-C中的函数调用是通过Runtime中的objc_msgSend()实现的，也就是会将[object methodName]翻译成objc_msgSend(id self, SEL op, ...)。

也就是说，Objective-C将函数调用，转化成了消息的传递，也正是这种转化，造成了文章开头提到的，尝试调用空指针函数不会导致crash的反常现象。调用某个对象的函数，就是给对象发送消息，消息中携带的SEL可以将其理解为方法的ID，通过SEL可以在objc_class中的methodLists查找到方法的具体实现，进而执行。在这里插入图片描述

如果在类中没有找到该函数，会通过类的super_class指针，去父类中查找，如图所示，循环往复直到基类。在这里插入图片描述

如果基类中也没有找到，该消息就会被丢弃，但不会引发崩溃。

类函数调用上面提到过，Objective-C中类也是对象，对应元类中存储的就是类函数。所以类函数的调用，就是通过元类查找并执行。

到这里，我们对Objective-C的类和函数调用有了浅显的理解，现在看文章开头提到的语法NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];，你有没有自己的理解呢？

[NSObject alloc]是给NSObject发送消息，也就是调用它的alloc方法：

Returns a new instance of the receiving class.

根据官方文档，作用是得到类NSObject的实例。然后调用这个实例的初始化函数init

参考

Objective-C Runtime Programming Guide developer.apple.com/library/arc…
iOS程序员面试笔试宝典 weread.qq.com/web/bookDet…
Method Swizzling: What, Why & How medium.com/@grow4gaura…
github.com/apple-oss-d…
github.com/apple-oss-d…
github.com/apple-oss-d…
深入理解 Objective-C：方法缓存 tech.meituan.com/2015/08/12/…
Programming with Objective-C developer.apple.com/library/arc…
Objective-C Runtime Programming Guide developer.apple.com/library/arc…
alloc developer.apple.com/documentati…
init developer.apple.com/documentati…

Objective-C Runtime浅析

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