iOS进阶（二）Objective-C底层原理

阳光穿透心脏的1/2处 2023-10-17 13:26 16阅读 0赞

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这篇读书笔记主要介绍了Objective-C底层的一些东西，比如Objective-C对象模型、objc\_msgSend消息发送原理、方法混写(Method Swizzling)和ISA混写(ISA Swizzling)。

**Objective-C对象模型**

我们都知道Objective-C是一门动态性语言，这种动态性的核心是objc提供的Objective-C运行时，比如objc\_msgSend就是一个核心函数，每次使用\[object message\]语法都会调用它。我们先来了解下Objective-C对象模型。

Objective-C是一门面向对象的编程语言，**每一个对象都是一个类的实例，在Objective-C中，每一个对象都有一个名为isa的指针，指向该对象的类。每一个类描述了一系列它的实例的特点，包括成员变量的列表、成员函数的列表等。每一个对象都可以接受到消息，而对象能够接受到的消息列表保存在它所对应的类中。**

注意：

*  每一个对象都有一个isa指针，这个指针指向的是它的类。
 *  类中包括成员变量、成员函数列表等。

在Xcode中打开objc.h文件，会看到如下代码：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> 
    <div>
      1 
    </div> 
    <div>
      2 
    </div> 
    <div>
      3 
    </div> 
    <div>
      4 
    </div> </td> 
   <td> 
    <div> 
     <div> 
      <code>///&nbsp;Represents&nbsp;an&nbsp;instance&nbsp;of&nbsp;a&nbsp;class.</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>struct&nbsp;objc_object&nbsp;{ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>Class&nbsp;isa&nbsp;&nbsp;OBJC_ISA_AVAILABILITY;</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>};</code> 
     </div> 
    </div> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

通过注释我们看到objc\_object代表一个对象的实例，在对象实例中我们看到了isa指针，验证了我们刚才说的话。

**根据面向对象的设计原则，所有事物都应该是对象，所以在Objective-C中，每一个类实际上也是一个对象，每一个类也有一个名为isa的指针，每一个类也可以接收消息，例如代码\[NSObject alloc\]，就是向NSObject这个类发送名为alloc的消息。**

在Xcode中打开runtime.h文件，会看到如下代码：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> 
    <div>
      1 
    </div> 
    <div>
      2 
    </div> 
    <div>
      3 
    </div> 
    <div>
      4 
    </div> 
    <div>
      5 
    </div> 
    <div>
      6 
    </div> 
    <div>
      7 
    </div> 
    <div>
      8 
    </div> 
    <div>
      9 
    </div> 
    <div>
      10 
    </div> 
    <div>
      11 
    </div> 
    <div>
      12 
    </div> 
    <div>
      13 
    </div> 
    <div>
      14 
    </div> 
    <div>
      15 
    </div> 
    <div>
      16 
    </div> </td> 
   <td> 
    <div> 
     <div> 
      <code>struct&nbsp;objc_class&nbsp;{ </code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>Class&nbsp;isa&nbsp;&nbsp;OBJC_ISA_AVAILABILITY;</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>22</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>#if&nbsp;!__OBJC2__</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>Class&nbsp;super_class&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;OBJC2_UNAVAILABLE;</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>const&nbsp;char&nbsp;*name&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;OBJC2_UNAVAILABLE;</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>long&nbsp;version&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;OBJC2_UNAVAILABLE;</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>long&nbsp;info&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;OBJC2_UNAVAILABLE;</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>long&nbsp;instance_size&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;OBJC2_UNAVAILABLE;</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>struct&nbsp;objc_ivar_list&nbsp;*ivars&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;OBJC2_UNAVAILABLE;</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>struct&nbsp;objc_method_list&nbsp;**methodLists&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;OBJC2_UNAVAILABLE;</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>struct&nbsp;objc_cache&nbsp;*cache&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;OBJC2_UNAVAILABLE;</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code> 
      <code>struct&nbsp;objc_protocol_list&nbsp;*protocols&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;OBJC2_UNAVAILABLE;</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>#endif</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>22</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>}&nbsp;OBJC2_UNAVAILABLE;</code> 
     </div> 
    </div> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

objc\_class代表一个类，从上面代码中可以看出类中有一个isa指针的。前面说到isa指针会执行它的类，那类中的isa指针指向什么呢？**因为类也是一个对象，所以它也必须是另一个类的实例，这个类就是元类（metaclass），所以isa指针指向的是它的元类。元类保存了类的方法列表。当一个类的方法被调用时，元类会首先查找它本身是否有该类方法的实现，如果没有，则该元类会向它的父类查找该方法，这样可以一直找到继承链的头。**

如前面所说元类也是一个对象，那么元类的isa指针指向谁呢？**Objective-C为了设计上的完整，所有的元类的isa指针都会指向一个根元类（root metaclass），根元类的isa指针指向自己，这样就形成一个闭环**。上面说到，一个对象能够接收的消息列表是保存在它所对应的类中的。在实际编程中，我们几乎不会遇到向元类发消息的情况，那它的isa指针在实际上很少用到。

再来看看继承关系，由于类方法的定义是保存在元类中，而方法调用的规则是，如果该类没有一个方法的实现，则向它的父类继续查找。所以，为了保证父类的类方法在子类中可以被调用，所有子类的元类都会继承父类的元类，简单来说就是类对象和元类对象有着同样的继承关系。

最后用一张图对对象模型做一个总结，如下图：

![416556-8c8e3a4e9b7ab21d.png][]

1-1 对象模型.png

**objc\_msgSend**

Objective-C运行时的核心就在于消息分派器objc\_msgSend，**消息分派器把选择器映射为函数指针，并调用被引用的函数**。 要想理解objc\_msgSend的背后原理，先来理解下NSInvocation这个类。

**NSInvocation是命令模式的一种传统实现，它把一个目标、一个选择器、一个方法签名和所有的参数都塞进一个对象里**，这个对象可以先存储起来，以备将来调用。当NSInvocation被调用时，它会发送信息，Objective-C运行时会找到正确的方法实现来执行。**我们通过一个例子来理解下NSInvocation的作用，比如\[NSObject alloc\]，此时会发送一个alloc消息，这条消息都包含什么内容呢？它怎么找到alloc的实现方法呢？这些都是通过NSInvocation来完成的，它包含了消息要传递的内容，也告诉了该怎么找到对应的方法实现**。

解释一下什么是方法实现？**一个方法实现(IMP)是一个指向具有如下签名的C函数的函数指针，注意是指针**。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> 
    <div>
      1 
    </div> </td> 
   <td> 
    <div> 
     <div> 
      <code>id&nbsp;</code> 
      <code>function</code> 
      <code>(id&nbsp;self,&nbsp;SEL&nbsp;_cmd,&nbsp;...)</code> 
     </div> 
    </div> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

NSInvocation包含了一个目标和选择器，目标是一个可接受的对象，选择器则是被发送的消息。比如\[NSObject alloc\]，目标就是NSObject，选择器就是alloc。一个选择器大致是一个方法的名称，之所以说是大致是因为选择器不必精确映射到方法。比如\[NSString length\]和\[NSData length\]会映射到不同方法的实现，但他们拥有相同的选择器。

NSInvocation还包含一个方法签名(NSMethodSignature)，它封装了一个方法的返回类型和参数类型，**记住它不包括方法名称，只有返回类型和参数类型**。你可以手动创建一个方法签名，如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> 
    <div>
      1 
    </div> </td> 
   <td> 
    <div> 
     <div> 
      <code>NSMethodSignature&nbsp;*sig&nbsp;=&nbsp;[NSMethodSignature&nbsp;signatureWithObjCTypes:</code> 
      <code>"@@:*"</code> 
      <code>];</code> 
     </div> 
    </div> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

但是应该尽可能少使用signatureWithObjCTypes:方法，获得方法签名常用的方法是为它请求一个类或实例，**比如可以使用methodSignatureForSelector:方法从实例中请求实例方法签名，或者从类中请求类方法签名。也可以使用instanceMethodSignatureForSelector:方法从一个类中获取实例方法签名**。两个方法有点绕口，我们通过一个例子来看下区别：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> 
    <div>
      1 
    </div> 
    <div>
      2 
    </div> 
    <div>
      3 
    </div> 
    <div>
      4 
    </div> 
    <div>
      5 
    </div> 
    <div>
      6 
    </div> 
    <div>
      7 
    </div> 
    <div>
      8 
    </div> 
    <div>
      9 
    </div> </td> 
   <td> 
    <div> 
     <div> 
      <code>SEL&nbsp;initSEL&nbsp;=&nbsp;@selector(init);</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>SEL&nbsp;allocSEL&nbsp;=&nbsp;@selector(alloc);</code> 
     </div> 
     <div>
       &nbsp; 
     </div> 
     <div> 
      <code>//&nbsp;从NSString类中获取实例方法(init)的方法签名</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>NSMethodSignature&nbsp;*initSig&nbsp;=&nbsp;[NSString&nbsp;instanceMethodSignatureForSelector:initSEL];</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>//&nbsp;从test实例中获取实例方法(init)的方法签名</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>initSig&nbsp;=&nbsp;[@</code> 
      <code>"test"</code>&nbsp; 
      <code>methodSignatureForSelector:initSEL];</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>//&nbsp;从NSString类中获取类方法签名</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>NSMethodSignature&nbsp;*allocSig&nbsp;=&nbsp;[NSString&nbsp;methodSignatureForSelector:allocSEL];</code> 
     </div> 
    </div> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

最后，NSInvocation还包含了所有的参数。至此，对于\[NSString length\]和\[NSData length\]就可以通过NSInvocation对象包含的信息，找到它们分别对应的方法实现。我们来看一个具体的例子，如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> 
    <div>
      1 
    </div> 
    <div>
      2 
    </div> 
    <div>
      3 
    </div> 
    <div>
      4 
    </div> 
    <div>
      5 
    </div> 
    <div>
      6 
    </div> 
    <div>
      7 
    </div> 
    <div>
      8 
    </div> 
    <div>
      9 
    </div> 
    <div>
      10 
    </div> 
    <div>
      11 
    </div> 
    <div>
      12 
    </div> </td> 
   <td> 
    <div> 
     <div> 
      <code>NSMutableSet&nbsp;*set&nbsp;=&nbsp;[NSMutableSet&nbsp;set];</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>NSString&nbsp;*stuff&nbsp;=&nbsp;@</code> 
      <code>"stuff"</code> 
      <code>;</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>SEL&nbsp;selector&nbsp;=&nbsp;@selector(addObject:);</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>NSMethodSignature&nbsp;*sig&nbsp;=&nbsp;[set&nbsp;methodSignatureForSelector:selector];</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>44</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>NSInvocation&nbsp;*invocation&nbsp;=&nbsp;[NSInvocation&nbsp;invocationWithMethodSignature:sig];</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>[invocation&nbsp;setTarget:set];</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>[invocation&nbsp;setSelector:selector];</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>[invocation&nbsp;setArgument:&amp;stuff&nbsp;atIndex:2];</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>[invocation&nbsp;invoke];</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>44</code> 
     </div> 
     <div> 
      <code>NSLog(@</code> 
      <code>"set&nbsp;is&nbsp;:&nbsp;%@"</code> 
      <code>,&nbsp;set);</code> 
     </div> 
    </div> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

注意，第一个参数被置于索引2处，索引0是目标(self)，索引1是选择器(\_cmd)，NSInvocation会自动设置它们。另外，必须把参数指针传递给参数，而不能传递参数本身。

**接下来重点要介绍下消息传递是如何工作的？**

在Objective-C中调用方法最终会翻译成调用方法实现的函数指针，并传递给这个方法实现一个对象指针、一个选择器和一组函数参数。每个Objective-C消息表达式都会转化为对objc\_msgSend的调用，看下objc\_msgSend的工作方式：

1. 检查接受对象是否为nil，如果是nil，调用nil处理程序。

2. 检查缓存中是不是已经有方法实现了，有的话，直接调用。

3. 比较请求的选择器和类中定义的选择器，如果找到了，调用方法实现。

4.比较请求的选择器和父类中定义的选择器，然后是父类的父类，以此类推，如果找到了选择器，调用方法实现。

5. 调用resolveInstanceMethod:(或resolveClassMethod)。如果它返回YES，那么重新开始。这一次对象会响应这个选择器，一般是因为它已经调用过class\_addMethod。

6. 调用forwardingTargetForSelector:，如果返回非nil，那就把消息发送到返回的对象上，这里不要返回self，否则会形成死循环的。

7.调用methodSignatureForSelector:，如果返回非nil，创建一个NSInvocation并传给forwardInvocation:。

8. 调用doesNotRecognizeSelector:，默认的实现是抛出异常。

先看下第5步，**首先可以想到的就是用resolveInstanceMethod:和resolveClassMethod:在运行时提供实现，这通常是@dynamic合成属性的处理方式**。简单来说，就是需要自己实现属性的getter和setter方法，通过resolveInstanceMethod:方法来把setter方法和getter方法和属性绑定在一起。

如果第5步返回NO的话，系统接着会首先尝试一次快速转发，也就是调用forwardingTargetForSelector:，看其能否返回一个对象，如果有对象返回，就转发给返回的对象。快速转发的原理其实就是先从缓存里找下是否存在对应的选择器。

如果快速转发返回nil的话，接下来就进行普通的转发，调用forwardInvocation进行普通的转发。

objc\_msgSend还有几个相关的函数：objc\_msgSend\_fpret、objc\_msgSendSuper、objc\_msgSend\_stret、objc\_msgSendSuper\_stret。SendSuper格式的函数很明显是把消息发送给父类，而带stret的在返回结构体时处理大部分情况。在Intel处理器上返回浮点数时，带fpret的函数处理大部分情况。

**方法混写(Method Swizzling)与ISA混写(Isa Swizzling)**

在Objective-C中，混写（Swizzling）是指透明地把一个东西换成另一个，我们可以利用Objective-C中的运行时来实现混写。我们先看下方法混写，Objective-C提供了以下API来动态替换类方法或实例方法的实现：

*  class\_replaceMethod替换类方法的定义。
 *  method\_exchangeImplementations交换两个方法的实现。
 *  method\_setImplementation设置一个方法的实现。

我们来看下三者的区别：

*  class\_replaceMethod，当需要替换的方法有可能不存在时，可以考虑使用该方法。
 *  method\_exchangeImplementations，当需要交换两个方法的实现时使用。
 *  method\_setImplementation是最简单的用法，当仅仅需要为一个方法设置其实现方式时使用。

系统中提供的KVO使用到了isa混写，具体是怎么实现的呢？**当你观察一个对象时，一个新的类会被自动创建，这个新类继承自该对象的原本的类，并且重写了被观察属性setter方法。重写setter方法会负责在调用原setter方法之前和之后，通知所有观察对象：值的更改。最后通过isa混写，把这个对象的isa指针指向这个新创建的子类，对象就神奇的变成了新创建的子类的实例**。

注意一点：把isa指针指向新创建的子类，被观察的对象就变成了新创建子类的对象实例，这是由于isa指针永远指向其对应的类。用一张图来说明下：

![416556-e513fe41773fe332.png][]

1-2 KVO.png

**键值观察通知依赖于NSObject的两个方法：willChangeValueForKey:和didChangeValueForKey:。在一个被观察属性发生改变之前，willChangeValueForKey:一定会被调用，这就会记录旧的值。而当改变之后，didChangeValueForKey:会被调用，继而obserValueForKey:ofObject:change:context:也会被调用**。可以手动实现这些调用，但很少有人这么做。一般我们希望能控制回调的调用时机时才会这么做。

使用KVO的一个明显的优势就是零开销观察的优势，如果给定的实例没有观察者，那么KVO不会有任何消耗，因为根本没有KVO代码。而即使没有观察者，对于委托方法和NSNotification还得工作。

**参考文章：**

[招聘一个靠谱的iOS开发者][iOS]

唐巧 iOS开发进阶书籍

[Link 1]: http://www.cocoachina.com/ios/20170504/19174.html
[416556-8c8e3a4e9b7ab21d.png]: http://cc.cocimg.com/api/uploads/20170504/1493863471728286.png
[416556-e513fe41773fe332.png]: http://cc.cocimg.com/api/uploads/20170504/1493863919963062.png
[iOS]: https://github.com/ChenYilong/iOSInterviewQuestions/tree/master/01%E3%80%8A%E6%8B%9B%E8%81%98%E4%B8%80%E4%B8%AA%E9%9D%A0%E8%B0%B1%E7%9A%84iOS%E3%80%8B%E9%9D%A2%E8%AF%95%E9%A2%98%E5%8F%82%E8%80%83%E7%AD%94%E6%A1%88