Runtime機制之結構體及操作函數

一、動態語言 Objective-C語言是一門動態語言，它將很多靜態語言在編譯和鏈接時期做的事放到了運行時來處理。這種動態語言的優勢在於：具有靈活性，比如：消息轉發，方法交換等。它有一個運行時系統Objc Runtime，其實是一個Runtime庫，基本上是用C和彙編寫的，這個庫使得C語言有了面向對 ...

一、動態語言

Objective-C語言是一門動態語言，它將很多靜態語言在編譯和鏈接時期做的事放到了運行時來處理。這種動態語言的優勢在於：具有靈活性，比如：消息轉發，方法交換等。它有一個運行時系統Objc Runtime，其實是一個Runtime庫，基本上是用C和彙編寫的，這個庫使得C語言有了面向對象的能力。

1. runtime庫主要做下麵兩件事：

封裝：用c語言把對象封裝成基本的數據結構，如：類結構體，對象結構體等。這些結構體和函數被runtime函數封裝後，我們就可以在程式運行時創建，檢查，修改類、對象和它們的方法了。
找出方法的最終執行代碼：把消息機制轉換為函數的調用。

二、基本結構體

1. 類結構體：objc_class

isa：指向該類對象所屬類（即元類）的指針，根類的元類指向自己
super_class：指向父類的指針，根類的父類指針指向NULL
name：類名
version：版本
info：類信息
instance_size：改類實例的大小
ivars：屬性鏈表
methodLists：方法鏈表
cache：方法緩存鏈表
protocols：協議鏈表

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class super_class                       OBJC2_UNAVAILABLE;  // 父類
    const char *name                        OBJC2_UNAVAILABLE;  // 類名
    long version                            OBJC2_UNAVAILABLE;  // 類的版本信息，預設為0
    long info                               OBJC2_UNAVAILABLE;  // 類信息，供運行期使用的一些位標識
    long instance_size                      OBJC2_UNAVAILABLE;  // 該類的實例變數大小
    struct objc_ivar_list *ivars            OBJC2_UNAVAILABLE;  // 該類的成員變數鏈表
    struct objc_method_list **methodLists   OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法定義的鏈表
    struct objc_cache *cache                OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法緩存
    struct objc_protocol_list *protocols    OBJC2_UNAVAILABLE;  // 協議鏈表
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

2. 實例對象結構體：objc_objective

isa：指向所屬類的指針。（僅僅一個指針）

typedef struct objc_object *id;

struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

3. 緩存方法鏈表結構體：objc_cache

mask：可緩存方法的數量
occupied：已緩存方法的數量
buckets：指針數組，存儲的是指針，指向已緩存的方法結構體

typedef struct objc_cache *cache;

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

4. 元類結構體（類對象所屬類）

同類結構體一樣，只是元類的isa指針都是指向根類NSObject元類，而根類的元類的isa指針指向自己。

我們都知道，實例對象擁有一個指向所屬類的isa指針。那類本身也可以看成是所屬類的對象，即類對象那它自然也擁有一個指向所屬類的isa指針，這個指針指向的也是該類對象的所屬類，即元類。所以，當我們向一個對象發送消息時，runtime會在這個對象所屬的這個類的方法列表中查找方法；而向一個類發送消息時，會在這個類的所屬類，即元類meta-class的方法列表中查找。

5. 舉例說明，看看以下代碼如何執行的

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

runtime庫向類對象NSArray發送了alloc消息，類對象根據isa指針去所屬類，即元類中查找響應的方法
在元類中，先查cache，再查methodLists，由於元類中沒有方法alloc，便根據super_class指針去父類NSObjec中找查找
在父類中，同樣先查cache，再查methodLists，在methodLists找到，立即響應消息
檢測類NSArray中instance_size的大小，根據所需的空間大小分配記憶體
創建objc_objective結構體以及實例變數，把結構體的isa指針指向父類
把alloc方法緩存到自己的cache鏈表中
runtime庫又向剛創建好的實例對象發送init消息，對象根據isa指針去所屬類NSArray中查找
先查cache，再查methodLists，查到後則響應
把實例對象中的實例變數初始化
把方法init緩存到cache鏈表中

三、類與對象操作函數

1. 類相關操作函數：以class為首碼命名

class_getName 　　 // 獲取類名
class_getSuperclass // 獲取父類
class_isMetaClass // 判斷類是不是元類
class_getInstanceSize // 獲取實例大小
class_getInstanceVariable // 獲取實例成員變數
class_getClassVariable // 獲取類成員變數
class_addIvar // 添加實例變數
class_copyIvarList // 獲取整個成員變數表
class_getProperty // 獲取指定屬性
class_copyPropertyList // 獲取整個屬性表
class_addProperty // 添加屬性
class_replaceProperty // 替換屬性

class_addMethod // 添加方法
class_getInstanceMethod // 獲取實例方法
class_getClassMethod // 獲取類方法
class_copyMethodList // 獲取所有方法的數組
class_replaceMethod // 替代方法的實現
class_getMethodImplementation // 返回方法的具體實現
class_respondsToSelector // 類實例是否響應指定的selector
class_addProtocol // 添加協議
class_conformsToProtocol // 返回類是否實現指定的協議
class_copyProtocolList // 返回類實現的協議列表
class_getVersion // 獲取版本號
class_setVersion // 設置版本號

父類和元類

// 獲取類的父類
Class class_getSuperclass ( Class cls );

// 判斷給定的Class是否是一個元類
BOOL class_isMetaClass ( Class cls );

- 類名

// 獲取類的類名
const char * class_getName ( Class cls );

- 成員變數大小

// 獲取實例大小
size_t class_getInstanceSize ( Class cls );

- 版本

// 獲取版本號
int class_getVersion ( Class cls );

// 設置版本號
void class_setVersion ( Class cls, int version );

- 成員變數

/** 成員變數操作函數 */


// 獲取類中指定名稱實例成員變數的信息
Ivar class_getInstanceVariable ( Class cls, const char *name );

// 獲取類成員變數的信息
Ivar class_getClassVariable ( Class cls, const char *name );

// 添加成員變數
BOOL class_addIvar ( Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types );

// 獲取整個成員變數列表
Ivar * class_copyIvarList ( Class cls, unsigned int *outCount );

- 　　屬性

/** 屬性操作函數 */


// 獲取指定的屬性
objc_property_t class_getProperty ( Class cls, const char *name );

// 獲取屬性列表
objc_property_t * class_copyPropertyList ( Class cls, unsigned int *outCount );

// 為類添加屬性
BOOL class_addProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );

// 替換類的屬性
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 );

// 獲取實例方法
Method class_getInstanceMethod ( Class cls, SEL name );

// 獲取類方法
Method class_getClassMethod ( Class cls, SEL name );

// 獲取所有方法的數組
Method * class_copyMethodList ( Class cls, unsigned int *outCount );

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

// 返回方法的具體實現
IMP class_getMethodImplementation ( Class cls, SEL name );
IMP class_getMethodImplementation_stret ( Class cls, SEL name );

// 類實例是否響應指定的selector
BOOL class_respondsToSelector ( Class cls, SEL sel );

- 協議

// 添加協議
BOOL class_addProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );

// 返回類是否實現指定的協議
BOOL class_conformsToProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );

// 返回類實現的協議列表
Protocol * class_copyProtocolList ( Class cls, unsigned int *outCount );

2. 對象相關的操作函數，以object為首碼命名

object_copy // 返回指定對象的一份拷貝
object_dispose // 釋放指定對象占用的記憶體
object_setInstanceVariable // 修改類實例的實例變數的值
object_getInstanceVariable // 獲取對象實例變數的值
object_getIndexedIvars // 返回指向給定對象分配的任何額外位元組的指針
object_getIvar // 返回對象中實例變數的值
object_setIvar // 設置對象中實例變數的值
object_getClassName // 返回給定對象的類名
object_getClass // 返回對象的類
object_setClass // 設置對象的類

- 　　針對整個對象進行操作的函數

// 返回指定對象的一份拷貝
id object_copy ( id obj, size_t size );

// 釋放指定對象占用的記憶體
id object_dispose ( id obj );

- 　　針對對象實例變數進行操作的函數

// 修改類實例的實例變數的值
Ivar object_setInstanceVariable ( id obj, const char *name, void *value );

// 獲取對象實例變數的值
Ivar object_getInstanceVariable ( id obj, const char *name, void **outValue );

// 返回指向給定對象分配的任何額外位元組的指針
void * object_getIndexedIvars ( id obj );

// 返回對象中實例變數的值
id object_getIvar ( id obj, Ivar ivar );

// 設置對象中實例變數的值
void object_setIvar ( id obj, Ivar ivar, id value );

- 　　針對對象的類進行操作的函數

// 返回給定對象的類名
const char * object_getClassName ( id obj );

// 返回對象的類
Class object_getClass ( id obj );

// 設置對象的類
Class object_setClass ( id obj, Class cls );

四、動態創建類和對象

1. 動態創建類

objc_allocateClassPair // 創建一個新類和元類
objc_disposeClassPair // 銷毀一個類及其相關聯的類
objc_registerClassPair // 在應用中註冊由objc_allocateClassPair創建的類

// 創建一個新類和元類
Class objc_allocateClassPair ( Class superclass, const char *name, size_t extraBytes );

// 銷毀一個類及其相關聯的類
void objc_disposeClassPair ( Class cls );

// 在應用中註冊由objc_allocateClassPair創建的類
void objc_registerClassPair ( Class cls );

2. 動態創建對象

class_createInstance // 創建類實例
objc_constructInstance // 在指定位置創建類實例
objc_destructInstance // 銷毀類實例

// 創建類實例
id class_createInstance ( Class cls, size_t extraBytes );

// 在指定位置創建類實例
id objc_constructInstance ( Class cls, void *bytes );

// 銷毀類實例
void * objc_destructInstance ( id obj );

五、獲取類定義

1. Objective-C動態運行庫會自動註冊我們代碼中定義的所有的類。我們也可以在運行時創建類定義並使用objc_addClass函數來註冊它們。

// 獲取已註冊的類定義的列表
int objc_getClassList ( Class *buffer, int bufferCount );

// 創建並返回一個指向所有已註冊類的指針列表
Class * objc_copyClassList ( unsigned int *outCount );

// 返回指定類的類定義
Class objc_lookUpClass ( const char *name );
Class objc_getClass ( const char *name );
Class objc_getRequiredClass ( const char *name );

// 返回指定類的元類
Class objc_getMetaClass ( const char *name );