runtime(二)：runtime相关术语及数据结构

要想全面了解 Runtime 机制，我们还要了解 Runtime 的一些术语，他们都对应着数据结构。

Runtime数据结构

在Objective-C中，使用[receiver message]语法并不会马上执行receiver对象的message方法的代码，而是向receiver发送一条message消息，这条消息可能由receiver来处理，也可能由转发给其他对象来处理，也有可能假装没有接收到这条消息而没有处理。其实[receiver message]被编译器转化为：
id objc_msgSend ( id self, SEL op, ... );
下面从两个数据结构id和SEL来逐步分析和理解Runtime有哪些重要的数据结构。

SEL

SEL是函数objc_msgSend第二个参数的数据类型，表示方法选择器，按下面路径打开objc.h文件：

查看到SEL数据结构如下：

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typedef struct objc_selector *SEL;

SEL是selector在 Objc 中的表示(Swift 中是 Selector 类)。selector 是方法选择器，其实作用就和名字一样，日常生活中，我们通过人名辨别谁是谁，注意 Objc 在相同的类中不会有命名相同的两个方法。selector 对方法名进行包装，以便找到对应的方法实现.

我们可以看出它就是映射到方法的C字符串，你可以通过Objc编译器命令@selector()或者Runtime系统的sel_registerName函数来获取一个SEL类型的方法选择器。

如果你知道selector对应的方法名是什么，可以通过NSString* NSStringFromSelector(SEL aSelector)方法将SEL转化为字符串，再用NSLog打印。

注意： 不同类中相同名字的方法所对应的 selector 是相同的，由于变量的类型不同，所以不会导致它们调用方法实现混乱。

id

objc_msgSend第一个参数的数据类型id，id是通用类型指针，能够表示任何对象。打开路径同上。

查看到id数据结构如下：

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

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

id其实就是一个指向objc_object结构体指针，它包含一个Class isa成员，根据isa指针就可以可以找到对象所属的类。

注意：根据Apple的官方文档Key-Value Observing Implementation Details提及，key-value observing是使用isa-swizzling的技术实现的，isa指针在运行时被修改，指向一个中间类而不是真正的类。所以，你不应该使用isa指针来确定类的关系，而是使用class方法来确定实例对象的类。

Class

isa指针的数据类型是Class，Class表示对象所属的类，按下面路径可查看定义及数据结构：

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

可以查看到Class其实就是一个objc_class结构体指针，objc_class结构体的定义如下：

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struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#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
} OBJC2_UNAVAILABLE;

从 objc_class 可以看到，一个运行时类中关联了它的父类指针、类名、成员变量、方法、缓存以及附属的协议。

让我们分析一些重要的成员变量表示什么意思和对应使用哪些数据结构。

1. isa: objc_class 中也有一个 isa 指针，这说明 Objc 类本身也是一个对象。为了处理类和对象的关系，Runtime 库创建了一种叫做 Meta Class(元类) 的东西，类对象所属的类就叫做元类。Meta Class 表述了类对象本身所具备的元数据。
我们所熟悉的类方法，就源自于 Meta Class。我们可以理解为类方法就是类对象的实例方法。每个类仅有一个类对象，而每个类对象仅有一个与之相关的元类。
其实Meta Class也是一个Class，那么它也跟其他Class一样有自己的isa和super_class指针，实例对象中的isa指向对应的Class类，Class类中的isa指向metaClass关系如下：

上图实线是super_class指针，虚线是isa指针。有几个关键点需要解释以下：

• Root class (class)其实就是NSObject，NSObject是没有超类的，所以Root class(class)的superclass指向nil。
• 每个Class都有一个isa指针指向唯一的Meta class
• Root class(meta)的superclass指向Root class(class)，也就是NSObject，形成一个回路。
• 每个Meta class的isa指针都指向Root class (meta)。

**2. super_class: **指向当前类对应的父类，如果已经是最顶层的类（NSObject 、NSProxy）super_class为NULL；

**3. name: ** 表示类名；

4.ivars: 表示多个成员变量列表，它指向objc_ivar_list结构体。在runtime.h可以看到它的定义：

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struct objc_ivar_list {
  int ivar_count                                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
  int space                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
  /* variable length structure */
  struct objc_ivar ivar_list[1]                      OBJC2_UNAVAILABLE;
}

objc_ivar_list其实就是一个链表，存储多个objc_ivar，而objc_ivar结构体存储类的单个成员变量信息。

5.methodLists: 表示方法列表，它指向objc_method_list结构体的二级指针，可以动态修改*methodLists的值来添加成员方法，也是Category实现原理，同样也解释Category不能添加属性的原因。在runtime.h可以看到它的定义：

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struct objc_method_list {
  struct objc_method_list *obsolete                        OBJC2_UNAVAILABLE;

  int method_count                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
  int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
  /* variable length structure */
  struct objc_method method_list[1]                        OBJC2_UNAVAILABLE;
}

6.cache: 用来缓存经常访问的方法，它指向objc_cache结构体，后面会重点讲到。

7.protocols: 表示类遵循哪些协议。

Method

Method表示类中的某个方法，在runtime.h中的定义：

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/// An opaque type that represents a method in a class definition.
typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
    SEL method_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *method_types                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
}

其实Method就是一个指向objc_method结构体指针，它存储了方法名(method_name)、方法类型(method_types)和方法实现(method_imp)等信息：

1、方法名类型为 SEL

2、方法类型 method_types 是个 char 指针，存储方法的参数类型和返回值类型

3、method_imp 指向了方法的实现，类型是IMP，本质是一个函数指针，后面会重点提及。

Ivar

Ivar表示类中的实例变量，在runtime.h中的定义：

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/// An opaque type that represents an instance variable.
typedef struct objc_ivar *Ivar;

struct objc_ivar {
    char *ivar_name                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *ivar_type                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    int ivar_offset                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}

Ivar其实就是一个指向objc_ivar结构体指针，它包含了变量名(ivar_name)、变量类型(ivar_type)等信息，其中 ivar_offset 是基地址偏移字节。

IMP

在上面讲Method时就说过，IMP本质上就是一个函数指针，指向方法的实现，在objc.h找到它的定义：

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/// A pointer to the function of a method implementation. 
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...); 
#endif

它就是一个函数指针，当你向某个对象发送一条信息，可以由这个函数指针来指定方法的实现，它最终就会执行那段代码，这样可以绕开消息传递阶段而去执行另一个方法实现。
你会发现 IMP指向的方法与 objc_msgSend 函数类型相同，参数都包含 id和SEL 类型。每个方法名都对应一个 SEL 类型的方法选择器，而每个实例对象中的 SEL 对应的方法实现肯定是唯一的，通过一组 id和 SEL 参数就能确定唯一的方法实现地址。而一个确定的方法也只有唯一的一组 id 和 SEL 参数。

Cache

Cache主要用来缓存，在runtime.h文件的定义：

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typedef struct objc_cache *Cache                             OBJC2_UNAVAILABLE;

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

Cache其实就是一个存储Method的链表，主要是为了优化方法调用的性能。当对象receiver调用方法message时，首先根据对象receiver的isa指针查找到它对应的类，然后在类的methodLists中搜索方法，如果没有找到，就使用super_class指针到父类中的methodLists查找，一旦找到就调用方法。如果没有找到，有可能消息转发，也可能忽略它。但这样查找方式效率太低，因为往往一个类大概只有20%的方法经常被调用，占总调用次数的80%。所以使用Cache来缓存经常调用的方法，当调用方法时，优先在Cache查找，如果没有找到，再到methodLists查找。Runtime 系统会把被调用的方法存到 Cache 中，如果一个方法被调用，那么它有可能今后还会被调用，下次查找的时候就会效率更高。