iOS运行时Runtime

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基础概念

SEL

SEL是方法选择器，即方法的ID。结构体如下，源码中没有objc_selector具体的定义。
但其实就是映射到方法的C字符串。不同类的同名方法具有相同的选择器，方法名相同单变量类型不同也会导致它们具有相同的选择器

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// An opaque type that represents a method selector.

typedef struct objc_selector *SEL;

id

id的结构体定义如下：

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typedef struct objc_object *id;
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struct objc_object {
    private:
        isa_t isa;
    
    public:
    
        // ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
        Class ISA();
    
        // getIsa() allows this to be a tagged pointer object
        Class getIsa();
    }

objc_object结构体包含一个isa_t指针，isa_t是一个联合体，根据isa指针可以找到对象所属的类，isa还涉及到 tagged pointer 的相关知识点。

Class

Class 是一个指向 objc_class结构体的指针
objc_class继承自 objc_object结构体，objc_class的很多方法都基于它的几个成员实现的。

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typedef struct objc_class *Class;
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struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    class_rw_t *data() { 
        return bits.data();
    }
};

为了处理类与对象的关系，Runtime创造了元类（Meta Class，类对象所属的类型就是元类，它用来表示类本身所具备的元数据。每个类只有一个类对象，每个类对象只对应一个元类

实例对象的isa指针指向类对象的，类对象的isa指针指向元类
根元类的isa指针指向的是自己，而超类指向的NSObject，NSObject的超类的为nil，也就是NSObject没有超类

cache_t

cache_t 定义如下，方法缓存列表

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struct cache_t {
    struct bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;
}

buckets是一个hask表，存储了调用过的方法体IMP。

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struct bucket_t {
private:
    cache_key_t _key;
    IMP _imp;
}

cache为方法调用进行了性能优化，每次方法调用了先从cache中查找，命中就返回方法体IMP，否则再从isa指向的方法列表遍历查找能够响应消息的方法

class_data_bits_t

class_data_bits_t结构体定义如下

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struct class_data_bits_t {

    // Values are the FAST_ flags above. 
    uintptr_t bits;
    
private:
    bool getBit(uintptr_t bit)
    {
        return bits & bit;
    }

    void setBits(uintptr_t set) 
    {
        uintptr_t oldBits;
        uintptr_t newBits;
        do {
            oldBits = LoadExclusive(&bits);
            newBits = updateFastAlloc(oldBits | set, set);
        } while (!StoreReleaseExclusive(&bits, oldBits, newBits));
    }

    void clearBits(uintptr_t clear) 
    {
        uintptr_t oldBits;
        uintptr_t newBits;
        do {
            oldBits = LoadExclusive(&bits);
            newBits = updateFastAlloc(oldBits & ~clear, clear);
        } while (!StoreReleaseExclusive(&bits, oldBits, newBits));
    }

public:

    class_rw_t* data() {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }

class_data_bits_t 包含了一个 bits，这个指针跟不同的FAST_前缀的flag掩码做按位与操作，获取不同的数据

FAST_前缀的flag掩码

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// class is a Swift class
#define FAST_IS_SWIFT           (1UL<<0)
// class or superclass has default retain/release/autorelease/retainCount/
//   _tryRetain/_isDeallocating/retainWeakReference/allowsWeakReference
#define FAST_HAS_DEFAULT_RR     (1UL<<1)
// class's instances requires raw isa
#define FAST_REQUIRES_RAW_ISA   (1UL<<2)
// data pointer
#define FAST_DATA_MASK          0x00007ffffffffff8UL

bits中其他的Fast_都是存储了相关标志位bool值，FAST_DATA_MASK 则存储了指向class_rw_t的指针

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class_rw_t* data() {
     return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
 }

class_ro_t

objc_class 包含了 class_data_bits_t， class_data_bits_t存储了 class_rw_t指针， class_rw_t有包含了了 class_ro_t

class_ro_t的结构体定义：

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struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif

    const uint8_t * ivarLayout;
    
    const char * name;
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;

    method_list_t *baseMethods() const {
        return baseMethodList;
    }
};

class_ro_t 中 method_list_t、property_list_t与property_list_t都继承自entsize_list_tt，protocol_list_t 存储了 protocol_ref_t列表（也就是protocol_t指针列表）。class_ro_t 存储的大多都是编译时信息就确定的信息

class_rw_t

class_rw_t结构体定义

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struct class_rw_t {
    // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
    uint32_t flags;
    uint32_t version;

    const class_ro_t *ro;

    method_array_t methods; 
    property_array_t properties;
    protocol_array_t protocols;

    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;

    char *demangledName;
}

class_rw_t 提供了运行时类拓展的能力，而class_ro_t存储的大多是编译时就确定的信息。虽然二者都包含了类的方法、属性以及协议等信息，但列表的实现方式不尽相同。
class_rw_t中的 method_array_t、property_array_t与protocol_array_t 都继承自list_array_tt,list_array_tt真正的为运行时提供了拓展能力，因为list_array_tt可以存储list指针，内容有三种：

  1. 空
  2. entsize_list_tt指针
  3. entsize_list_tt指针数组

realizeClass

Category

Method

IMP

Ivar

objc_property_t

protocol_t

消息发送

objc_msgSend流程

  1. 检测这个selector是否要忽略
  2. 检测target是否为nil
  3. 从cache中查找对应的函数
  4. cache找不到，就从方法分发表中查找
  5. 方法分发表中还找不到就到超类中查找，直到NSObject
  6. 如果还找不到就进入动态方法解析

动态方法解析

消息转发

#健壮的实例变量 (Non Fragile ivars)

Objective-C Associated Objects

Method Swizzling 方法替换

总结