理解 Objective-C Runtime

Nov 12, 2013 at 13:49:54

注：本文是对 Colin Wheeler 的 Understanding the Objective-C Runtime 的翻译。

初学 Objective-C(以下简称ObjC) 的人很容易忽略一个 ObjC 特性 —— ObjC Runtime。这是因为这门语言很容易上手，几个小时就能学会怎么使用，所以程序员们往往会把时间都花在了解 Cocoa 框架以及调整自己的程序的表现上。然而 Runtime 应该是每一个 ObjC 都应该要了解的东西，至少要理解编译器会把

[target doMethodWith:var1];

编译成：

objc_msgSend(target,@selector(doMethodWith:),var1);

这样的语句。理解 ObjC Runtime 的工作原理，有助于你更深入地去理解 ObjC 这门语言，理解你的 App 是怎样跑起来的。我想所有的 Mac/iPhone 开发者，无论水平如何，都会从中获益的。

ObjC Runtime 是开源的

ObjC Runtime 的代码是开源的，可以从这个站点下载： opensource.apple.com。

这个是所有开源代码的链接： http://www.opensource.apple.com/source/

这个是ObjC rumtime 的源代码: http://www.opensource.apple.com/source/objc4/
4应该代表的是build版本而不是语言版本，现在是ObjC 2.0

动态 vs 静态语言

ObjC 是一种面向runtime(运行时)的语言，也就是说，它会尽可能地把代码执行的决策从编译和链接的时候，推迟到运行时。这给程序员写代码带来很大的灵活性，比如说你可以把消息转发给你想要的对象，或者随意交换一个方法的实现之类的。这就要求 runtime 能检测一个对象是否能对一个方法进行响应，然后再把这个方法分发到对应的对象去。我们拿 C 来跟 ObjC 对比一下。在 C 语言里面，一切从 main 函数开始，程序员写代码的时候是自上而下地，一个 C 的结构体或者说类吧，是不能把方法调用转发给其他对象的。举个栗子：

#include < stdio.h >

int main(int argc, const char **argv[])

{

printf("Hello World!");

return 0;

}

这段代码被编译器解析，优化后，会变成一堆汇编代码：

.text
 .align 4,0x90
 .globl _main
_main:
Leh_func_begin1:
 pushq %rbp
Llabel1:
 movq %rsp, %rbp
Llabel2:
 subq $16, %rsp
Llabel3:
 movq %rsi, %rax
 movl %edi, %ecx
 movl %ecx, -8(%rbp)
 movq %rax, -16(%rbp)
 xorb %al, %al
 leaq LC(%rip), %rcx
 movq %rcx, %rdi
 call _printf
 movl $0, -4(%rbp)
 movl -4(%rbp), %eax
 addq $16, %rsp
 popq %rbp
 ret
Leh_func_end1:
 .cstring
LC:
 .asciz "Hello World!"

然后，再链接 include 的库，完了生成可执行代码。对比一下 ObjC，当我们初学这门语言的时候教程是这么说滴：用中括号括起来的语句，

[self doSomethingWithVar:var1];

被编译器编译之后会变成：

objc_msgSend(self,@selector(doSomethingWithVar:),var1);

一个 C 方法，传入了三个变量，self指针，要执行的方法 @selector(doSomethingWithVar:) 还有一个参数 var1。但是在这之后就不晓得发生什么了。

什么是 Objective-C Runtime?

ObjC Runtime 其实是一个 Runtime 库，基本上用 C 和汇编写的，这个库使得 C 语言有了面向对象的能力（脑中浮现当你乔帮主参观了施乐帕克的 SmallTalk 之后嘴角一抹浅笑）。这个库做的事前就是加载类的信息，进行方法的分发和转发之类的。

Objective-C Runtime 术语

再往下深谈之前咱先介绍几个术语。

  • 2 Runtimes

    目前说来Runtime有两种，一个 Modern Runtime 和一个 Legacy Runtime。Modern Runtime 覆盖了64位的Mac OS X Apps，还有 iOS Apps，Legacy Runtime 是早期用来给32位 Mac OS X Apps 用的，也就是可以不用管就是了。

  • 2 Basic types of Methods

    一种 Instance Method，还有 Class Method。instance method 就是带“-”号的，需要实例化才能用的，如 :

    -(void)doFoo; 

    [aObj doFoot];

    Class Method 就是带“+”号的，类似于静态方法可以直接调用：

    +(id)alloc;

    [ClassName alloc];

    这些方法跟 C 函数一样，就是一组代码，完成一个比较小的任务。

    -(NSString *)movieTitle
{
    return @"Futurama: Into the Wild Green Yonder";
}
  • Selector

    一个 Selector 事实上是一个 C 的结构体，表示的是一个方法。定义是：

    typedef struct objc_selector  *SEL;

    使用起来就是：

    SEL aSel = @selector(movieTitle);

    这样可以直接取一个selector，如果是传递消息（类似于C的方法调用）就是：

    [target getMovieTitleForObject:obj];

    在 ObjC 里面，用'[]'括起来的表达式就是一个消息。包括了一个 target，就是要接收消息的对象，一个要被调用的方法还有一些你要传递的参数。类似于 C 函数的调用，但是又有所不同。事实上上面这个语句你仅仅是传递了 ObjC 消息，并不代表它就会一定被执行。target 这个对象会检测是谁发起的这个请求，然后决策是要执行这个方法还是其他方法，或者转发给其他的对象。

  • Class

    Class 的定义是这样的：

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

    我们可以看到这里这里有两个结构体，一个类结构体一个对象结构体。所有的 objc_object 对象结构体都有一个 isa 指针，这个 isa 指向它所属的类，在运行时就靠这个指针来检测这个对象是否可以响应一个 selector。完了我们看到最后有一个 id 指针。这个指针其实就只是用来代表一个 ObjC 对象，有点类似于 C++ 的泛型。当你拿到一个 id 指针之后，就可以获取这个对象的类，并且可以检测其是否响应一个 selector。这就是对一个 delegate 常用的调用方式啦。这样说还有点抽象，我们看看 LLVM/Clang 的文档对 Blocks 的定义：

     struct Block_literal_1 {
    void *isa; // initialized to &_NSConcreteStackBlock or &_NSConcreteGlobalBlock
    int flags;
    int reserved; 
    void (*invoke)(void *, ...);
    struct Block_descriptor_1 {
 unsigned long int reserved; // NULL
     unsigned long int size;  // sizeof(struct Block_literal_1)
 // optional helper functions
     void (*copy_helper)(void *dst, void *src);
     void (*dispose_helper)(void *src); 
    } *descriptor;
    // imported variables
};

    可以看到一个 block 是被设计成一个对象的，拥有一个 isa 指针，所以你可以对一个 block 使用 retain, release, copy 这些方法。

  • IMP (Method Implementations)

    接下来看看啥是IMP。

    typedef id (*IMP)(id self,SEL _cmd,...);

    一个 IMP 就是一个函数指针，这是由编译器生成的，当你发起一个 ObjC 消息之后，最终它会执行的那个代码，就是由这个函数指针指定的。

  • Objective-C Classes

    OK，回过头来看看一个 ObjC 的类。举一个栗子：

    @interface MyClass : NSObject {
//vars
NSInteger counter;
}
//methods
-(void)doFoo;
@end

    定义一个类我们可以写成如上代码，而在运行时，一个类就不仅仅是上面看到的这些东西了：

    #if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

    可以看到运行时一个类还关联了它的父类指针，类名，成员变量，方法，cache 还有附属的 protocol。

那么类定义了对象并且自己也是个对象？这是咋整滴？

上面我提到过一个 ObjC 类同时也是一个对象，为了处理类和对象的关系，runtime 库创建了一种叫做 标签类 元类（Meta Class）的东西。当你发出一个消息的时候，比方说

[NSObject alloc];

你事实上是把这个消息发给了一个类对象（Class Object），这个类对象必须是一个 Meta Class 的实例，而这个 Meta Class 同时也是一个根 MetaClass 的实例。当你继承了 NSObject 成为其子类的时候，你的类指针就会指向 NSObject 为其父类。但是 Meta Class 不太一样，所有的 Meta Class 都指向根 Meta Class 为其父类。一个 Meta Class 持有所有能响应的方法。所以当 [NSObject alloc] 这条消息发出的时候，objc_msgSend() 这个方法会去 NSObject 它的 Meta Class 里面去查找是否有响应这个 selector 的方法，然后对 NSObject 这个类对象执行方法调用。

为啥我们要继承 Apple Classes

初学 Cocoa 开发的时候，多数教程都要我们继承一个类比方 NSObject，然后我们就开始 Coding 了。比方说：

MyObject *object = [[MyObject alloc] init];

这个语句用来初始化一个实例，类似于 C++ 的 new 关键字。这个语句首先会执行 MyObject 这个类的 +alloc 方法，Apple 的官方文档是这样说的：

The isa instance variable of the new instance is initialized to a data structure that describes the class; memory for all other instance variables is set to 0.

新建的实例中，isa 成员变量会变初始化成一个数据结构体，用来描述所指向的类。其他的成员变量的内存会被置为0.

所以继承 Apple 的类我们不仅是获得了很多很好用的属性，而且也继承了这种内存分配的方法。

那么啥是 Class Cache(objc_cache *cache)

刚刚我们看到 runtime 里面有一个指针叫 objc_cache *cache，这是用来缓存方法调用的。现在我们知道一个实例对象被传递一个消息的时候，它会根据 isa 指针去查找能够响应这个消息的对象。但是实际上我们在用的时候，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到。比如一个object你可能从来都不用copy方法，那我要是每次调用的时候还去遍历一遍所有的方法那就太笨了。于是 cache 就应运而生了，每次你调用过一个方法，之后，这个方法就会被存到这个 cache 列表里面去，下次调用的时候 runtime 会优先去 cache 里面查找，提高了调用的效率。举一个栗子：

MyObject *obj = [[MyObject alloc] init]; // MyObject 的父类是 NSObject

@implementation MyObject

-(id)init {

if(self = [super init]){

[self setVarA:@”blah”];

}

return self;

}

@end

这段代码是这样执行的：

  1. [MyObject alloc] 先被执行。但是由于 MyObject 这个类没有 +alloc 这个方法，于是去父类 NSObject 查找。
  2. 检测 NSObject 是否响应 +alloc 方法，发现响应，于是检测 MyObject 类，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 MyObject 类。那么 +alloc 就被加进 cache 列表里面了。
  3. 完了执行 -init 方法，因为 MyObject 响应该方法，直接加入 cache。
  4. 执行 self = [super init] 语句。这里直接通过 super 关键字调用父类的 init 方法，确保父类初始化成功，然后再执行自己的初始化逻辑。

OK，这就是一个很简单的初始化过程，在 NSObject 类里面，alloc 和 init　没做什么特别重大的事情，但是，ObjC 特性允许你的 alloc 和 init 返回的值不同，也就是说，你可以在你的 init 函数里面做一些很复杂的初始化操作，但是返回出去一个简单的对象，这就隐藏了类的复杂性。再举个栗子：

#import < Foundation/Foundation.h>

@interface MyObject : NSObject

{

NSString *aString;

}


@property(retain) NSString *aString;


@end


@implementation MyObject


-(id)init

{

if (self = [super init]) {

[self setAString:nil];

}

return self;

}


@synthesize aString;


@end


int main (int argc, const char * argv[]) {

NSAutoreleasePool * pool = [[NSAutoreleasePool alloc] init];


id obj1 = [NSMutableArray alloc];

id obj2 = [[NSMutableArray alloc] init];


id obj3 = [NSArray alloc];

id obj4 = [[NSArray alloc] initWithObjects:@"Hello",nil];


NSLog(@"obj1 class is %@",NSStringFromClass([obj1 class]));

NSLog(@"obj2 class is %@",NSStringFromClass([obj2 class]));


NSLog(@"obj3 class is %@",NSStringFromClass([obj3 class]));

NSLog(@"obj4 class is %@",NSStringFromClass([obj4 class]));


id obj5 = [MyObject alloc];

id obj6 = [[MyObject alloc] init];


NSLog(@"obj5 class is %@",NSStringFromClass([obj5 class]));

NSLog(@"obj6 class is %@",NSStringFromClass([obj6 class]));


[pool drain];

return 0;

}

如果你是ObjC的初学者，那么你很可能会认为这段代码执的输出会是：

NSMutableArray
NSMutableArray 
NSArray
NSArray
MyObject
MyObject

但事实上是这样的：

obj1 class is __NSPlaceholderArray
obj2 class is NSCFArray
obj3 class is __NSPlaceholderArray
obj4 class is NSCFArray
obj5 class is MyObject
obj6 class is MyObject

这是因为 ObjC 是允许运行 +alloc 返回一个特定的类，而 init 方法又返回一个不同的类的。可以看到 NSMutableArray 是对普通数组的封装，内部实现是复杂的，但是对外隐藏了复杂性。

OK说回 objc_msgSend 这个方法

这个方法做的事情不少，举个栗子：

[self printMessageWithString:@"Hello World!"];

这句语句被编译成这样：

objc_msgSend(self,@selector(printMessageWithString:),@"Hello World!");

这个方法先去查找 self 这个对象或者其父类是否响应 @selector(printMessageWithString:)，如果从这个类的方法分发表或者 cache 里面找到了，就调用它对应的函数指针。如果找不到，那就会执行一些其他的东西。步骤如下：

  1. 检测这个 selector 是不是要忽略的。比如 Mac OS X 开发，有了垃圾回收就不理会 retain, release 这些函数了。
  2. 检测这个 target 是不是 nil 对象。ObjC 的特性是允许对一个 nil 对象执行任何一个方法不会 Crash，因为会被忽略掉。
  3. 如果上面两个都过了，那就开始查找这个类的 IMP，先从 cache 里面找，完了找得到就跳到对应的函数去执行。
  4. 如果 cache 找不到就找一下方法分发表。
  5. 如果还找不到就要开始消息转发逻辑了。

在编译的时候，你定义的方法比如：

-(int)doComputeWithNum:(int)aNum

会编译成：

int aClass_doComputeWithNum(aClass *self,SEL _cmd,int aNum)

然后由 runtime 去调用指向你的这个方法的函数指针。那么之前我们说你发起消息其实不是对方法的直接调用，其实 Cocoa 还是提供了可以直接调用的方法的：

// 首先定义一个 C 语言的函数指针
int (computeNum *)(id,SEL,int);

// 使用 methodForSelector 方法获取对应与该 selector 的杉树指针，跟 objc_msgSend 方法拿到的是一样的

// methodForSelector 这个方法是 Cocoa 提供的，不是 ObjC runtime 库提供的

computeNum = (int (*)(id,SEL,int))[target methodForSelector:@selector(doComputeWithNum:)];


// 现在可以直接调用该函数了，跟调用 C 函数是一样的

computeNum(obj,@selector(doComputeWithNum:),aNum);

如果你需要的话，你可以通过这种方式你来确保这个方法一定会被调用。

消息转发机制

在 ObjC 这门语言中，发送消息给一个并不响应这个方法的对象，是合法的，应该也是故意这么设计的。换句话说，我可以对任意一个对象传递任意一个消息（看起来有点像对任意一个类调用任意一个方法，当然事实上不是），当然如果最后找不到能调用的方法就会 Crash 掉。

Apple 设计这种机制的原因之一就是——用来模拟多重继承（ObjC 原生是不支持多重继承的）。或者你希望把你的复杂设计隐藏起来。这种转发机制是 Runtime 非常重要的一个特性，大概的步骤如下：

  1. 查找该类及其父类的 cahce 和方法分发表，在找不到的情况下执行2。
  2. 执行 + (BOOL) resolveInstanceMethod:(SEL)aSEL 方法。

    这就给了程序员一次机会，可以告诉 runtime 在找不到改方法的情况下执行什么方法。举个栗子，先定义一个函数：

    void fooMethod(id obj, SEL _cmd)
{
 NSLog(@"Doing Foo");
}

    完了重载 resolveInstanceMethod 方法：

    +(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)aSEL
{
    if(aSEL == @selector(doFoo:)){
        class_addMethod([self class],aSEL,(IMP)fooMethod,"v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod];
}

    其中 "v@:" 表示返回值和参数，这个符号涉及 Type Encoding，可以参考Apple的文档 ObjC Runtime Guide。

  3. 接下来 Runtime 会调用 - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector 方法。
    这就给了程序员第二次机会，如果你没办法在自己的类里面找到替代方法，你就重载这个方法，然后把消息转给其他的Object。

    - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector
{
    if(aSelector == @selector(mysteriousMethod:)){
        return alternateObject;
    }
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

    这样你就可以把消息转给别人了。当然这里你不能 return self,不然就死循环了=.=

  4. 最后，Runtime 会调用 - (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation 这个方法。NSInvocation 其实就是一条消息的封装。如果你能拿到 NSInvocation，那你就能修改这条消息的 target, selector 和 arguments。举个栗子： 
    -(void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation
{
    SEL invSEL = invocation.selector;

    if([altObject respondsToSelector:invSEL]) {
    [invocation invokeWithTarget:altObject];
} else {
    [self doesNotRecognizeSelector:invSEL];
}

    

    }

    默认情况下 NSObject 对 forwardInvocation 的实现就是简单地执行 -doesNotRecognizeSelector: 这个方法，所以如果你想真正的在最后关头去转发消息你可以重载这个方法（好折腾-.-）。

    原文后面介绍了 Non Fragile ivars (Modern Runtime)， Objective-C Associated Objects 和 Hybrid vTable Dispatch。鉴于一是底层的可以不用理会，一是早司空见惯的不用详谈，还有一个是很简单的，就是一个建立在方法分发表里面填入默认常用的 method，所以有兴趣的读者可以自行查阅原文，这里就不详谈鸟。

References

Objective-C Runtime Programming Guide

Objective-C Runtime Reference

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