深入理解Objective-C：Category

1、Category介绍

类别。
使用方法自行搜索。

使用场景：

1、给已经存在的类添加方法。

2、把类的实现放在不同的文件里面。

好处如下：
（1）可以减少单个文件的体积。
（2）可以把不同的功能组合到不同的category里
（3）可以按需要加载想要的category

3、声明私有方法

4、模拟多继承

5、把framework的私有方法公开

2、Category和Extension

Extension扩展，更像是一个匿名的category。但是二者几乎完全是两个东西。

Extension

Extension是在编译器决议，它就是类的一部分，在编译器和头文件里的@interface以及实现文件里的@implement一起形成一个完整的类，它伴随类的产生而产生，亦随着一起消忘。

Extension一般用来隐藏类的私有信息。你必须有一个类的源码才能为一个类添加extension，所以无法为系统的类添加extension。

Category

Category是运行期决议的。
在运行期，对象的内存布局已经确定，所以是无法添加实例变量的。如果添加实例变量会破坏类的内部布局，这对编译型语言来说是灾难性的。

3、Category真面目

我们知道，所有的OC类和对象，在runtime层都是用struct表示的，category也不例外，在runtime层，category用结构体category_t（在objc-runtime-new.h中可以找到此定义）。
它包含了
1)、类的名字（name）
2)、类（cls）
3)、category中所有给类添加的实例方法的列表（instanceMethods）
4)、category中所有添加的类方法的列表（classMethods）
5)、category实现的所有协议的列表（protocols）
6)、category中添加的所有属性（instanceProperties）

从category的定义也可以看出category的可为（可以添加实例方法，类方法，甚至可以实现协议，添加属性）和不可为（无法添加实例变量）。
ok，我们先去写一个category看一下category到底为何物：

@interface MyClass : NSObject- (void)printName;@end@interface MyClass(MyAddition)@property(nonatomic, copy) NSString *name;- (void)printName;@end

@implementation MyClass- (void)printName{    NSLog(@"%@",@"MyClass");}@end@implementation MyClass(MyAddition)- (void)printName{    NSLog(@"%@",@"MyAddition");}@end

（在这篇文章中，会出现警告 ：”Category is implementing a method which will also be implemented by its primary class”. 有洁癖的小伙伴请左拐 传送门）

我们使用clang的命令去看看category到底会变成什么：

clang -rewrite-objc MyClass.m 【clang操作 传送门】

好吧，我们得到了一个3M大小，10w多行的.cpp文件（这绝对是Apple值得吐槽的一点），我们忽略掉所有和我们无关的东西，在文件的最后，我们找到了如下代码片段：

static struct /*_method_list_t*/ {    unsigned int entsize;  // sizeof(struct _objc_method)    unsigned int method_count;    struct _objc_method method_list[3];} _OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {    sizeof(_objc_method),    3,    {{(struct objc_selector *)"setName:", "v24@0:8@16", (void *)_I_MyClass_MyAddition_setName_},    {(struct objc_selector *)"name", "@16@0:8", (void *)_I_MyClass_MyAddition_name},    {(struct objc_selector *)"printName", "v16@0:8", (void *)_I_MyClass_MyAddition_printName}}};static struct /*_prop_list_t*/ {    unsigned int entsize;  // sizeof(struct _prop_t)    unsigned int count_of_properties;    struct _prop_t prop_list[1];} _OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {    sizeof(_prop_t),    1,    {{"name","T@\"NSString\",C,D,N"}}};extern "C" __declspec(dllexport) struct _class_t OBJC_CLASS_$_MyClass;static struct _category_t _OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {    "MyClass",    0, // &OBJC_CLASS_$_MyClass,    (const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition,    0,    0,    (const struct _prop_list_t *)&_OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition,};static void OBJC_CATEGORY_SETUP_$_MyClass_$_MyAddition(void ) {    _OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition.cls = &OBJC_CLASS_$_MyClass;}#pragma section(".objc_inithooks$B", long, read, write)__declspec(allocate(".objc_inithooks$B")) static void *OBJC_CATEGORY_SETUP[] = {    (void *)&OBJC_CATEGORY_SETUP_$_MyClass_$_MyAddition,};static struct _class_t *L_OBJC_LABEL_CLASS_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_classlist,regular,no_dead_strip")))= {    &OBJC_CLASS_$_MyClass,};static struct _category_t *L_OBJC_LABEL_CATEGORY_$ [1] __attribute__((used, section ("__DATA, __objc_catlist,regular,no_dead_strip")))= {    &_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition,};

我们可以看到

(1)、首先编译器生成了实例方法列表_OBJC_$_CATEGORY_INSTANCE_METHODS_MyClass_$_MyAddition和属性列表_OBJC_$_PROP_LIST_MyClass_$_MyAddition，两者的命名都遵循了公共前缀+类名+category名字的命名方式，而且实例方法列表里面填充的正是我们在MyAddition这个category里面写的方法printName，而属性列表里面填充的也正是我们在MyAddition里添加的name属性。还有一个需要注意到的事实就是category的名字用来给各种列表以及后面的category结构体本身命名，而且有static来修饰，所以在同一个编译单元里我们的category名不能重复，否则会出现编译错误。

2)、其次，编译器生成了category本身_OBJC_$_CATEGORY_MyClass_$_MyAddition，并用前面生成的列表来初始化category本身。

3)、最后，编译器在DATA段下的objc_catlist section里保存了一个大小为1的category_t的数组L_OBJC_LABEL_CATEGORY_$ [1]（当然，如果有多个category，会生成对应长度的数组^_^），用于运行期category的加载。
到这里，编译器的工作就接近尾声了，对于category在运行期怎么加载，我们下节揭晓。

4、category如何加载

我们知道，Objective-C的运行是依赖OC的runtime的，而OC的runtime和其他系统库一样，是OS X和iOS通过dyld动态加载的。

对于OC运行时，入口方法如下（在objc-os.mm文件中）：

category被附加到类上面是在map_images的时候发生的，在new-ABI的标准下，_objc_init里面的调用的map_images最终会调用objc-runtime-new.mm里面的_read_images方法，而在_read_images方法的结尾，有以下的代码片段：

首先，我们拿到的catlist就是上节中讲到的编译器为我们准备的category_t数组，关于是如何加载catlist本身的，我们暂且不表，这和category本身的关系也不大，有兴趣的同学可以去研究以下Apple的二进制格式和load机制。

略去PrintConnecting这个用于log的东西，这段代码很容易理解：
1)、把category的实例方法、协议以及属性添加到类上
2)、把category的类方法和协议添加到类的metaclass上

ok，我们接着往里看，category的各种列表是怎么最终添加到类上的，就拿实例方法列表来说吧：
在上述的代码片段里，addUnattachedCategoryForClass只是把类和category做一个关联映射，而remethodizeClass才是真正去处理添加事宜的功臣。

而对于添加类的实例方法而言，又会去调用attachCategories这个方法，我们去看下attachCategories：

attachCategoryMethods，它只是把所有category的实例方法列表拼成了一个大的实例方法列表，然后转交给了attachMethodLists方法

需要注意的有两点：

1)、category的方法没有“完全替换掉”原来类已经有的方法，也就是说如果category和原来类都有methodA，那么category附加完成之后，类的方法列表里会有两个methodA

2)、category的方法被放到了新方法列表的前面，而原来类的方法被放到了新方法列表的后面，这也就是我们平常所说的category的方法会“覆盖”掉原来类的同名方法，这是因为运行时在查找方法的时候是顺着方法列表的顺序查找的，它只要一找到对应名字的方法，就会罢休^_^，殊不知后面可能还有一样名字的方法。

5、-category和+load方法

我们知道，在类和category中都可以有+load方法，那么有两个问题：
1)、在类的+load方法调用的时候，我们可以调用category中声明的方法么？
2)、这么些个+load方法，调用顺序是咋样的呢？

鉴于上述几节我们看的代码太多了，对于这两个问题我们先来看一点直观的：

我们的代码里有MyClass和MyClass的两个category （Category1和Category2），MyClass和两个category都添加了+load方法，并且Category1和Category2都写了MyClass的printName方法。
在Xcode中点击Edit Scheme，添加如下两个环境变量（可以在执行load方法以及加载category的时候打印log信息，更多的环境变量选项可参见objc-private.h）:

运行项目，我们会看到控制台打印很多东西出来，我们只找到我们想要的信息，顺序如下：

objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category1objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category2...objc[1187]: LOAD: class 'MyClass' scheduled for +loadobjc[1187]: LOAD: category 'MyClass(Category1)' scheduled for +loadobjc[1187]: LOAD: category 'MyClass(Category2)' scheduled for +loadobjc[1187]: LOAD: +[MyClass load]...objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category1) load]...objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category2) load]

所以，对于上面两个问题，答案是很明显的：
1)、可以调用，因为附加category到类的工作会先于+load方法的执行
2)、+load的执行顺序是先类，后category，而category的+load执行顺序是根据编译顺序决定的。

目前的编译顺序是这样的：

我们调整一个Category1和Category2的编译顺序，run。

ok，我们可以看到控制台的输出顺序变了：

objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category2objc[1187]: REPLACED: -[MyClass printName] by category Category1...objc[1187]: LOAD: class 'MyClass' scheduled for +loadobjc[1187]: LOAD: category 'MyClass(Category2)' scheduled for +loadobjc[1187]: LOAD: category 'MyClass(Category1)' scheduled for +loadobjc[1187]: LOAD: +[MyClass load]...objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category2) load]...objc[1187]: LOAD: +[MyClass(Category1) load]

虽然对于+load的执行顺序是这样，但是对于“覆盖”掉的方法，则会先找到最后一个编译的category里的对应方法。
这一节我们只是用很直观的方式得到了问题的答案，有兴趣的同学可以继续去研究一下OC的运行时代码。

6、category和方法覆盖

怎么调用到原来类中被category覆盖掉的方法？

对于这个问题，我们已经知道category其实并不是完全替换掉原来类的同名方法，只是category在方法列表的前面而已，所以我们只要顺着方法列表找到最后一个对应名字的方法，就可以调用原来类的方法：

Class currentClass = [MyClass class];MyClass *my = [[MyClass alloc] init];if (currentClass) {    unsigned int methodCount;    Method *methodList = class_copyMethodList(currentClass, &methodCount);    IMP lastImp = NULL;    SEL lastSel = NULL;    for (NSInteger i = 0; i < methodCount; i++) {        Method method = methodList[i];        NSString *methodName = [NSString stringWithCString:sel_getName(method_getName(method))                                         encoding:NSUTF8StringEncoding];        if ([@"printName" isEqualToString:methodName]) {            lastImp = method_getImplementation(method);            lastSel = method_getName(method);        }    }    typedef void (*fn)(id,SEL);    if (lastImp != NULL) {        fn f = (fn)lastImp;        f(my,lastSel);    }    free(methodList);

7、category和关联对象

本人以前写的文章对：类别添加属性 的简单使用。

相关推荐阅读：Associated Objects

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番外篇：

【1】原文章 传送门 本文是基于此文章进行改动而写的。

这篇文章是2015-03-03写的，这个文章上有许多知识已经不使用了，所以在本文中进行了修改。尤其是一些runtime的地方。
但是在第五小节-category和+load方法 中没有再多论证。直接搬过来了。

【2】这篇文章中OSSpinLock已经不再安全。

关于OSSpinLock的文章推荐如下：不再安全的 OSSpinLock 传送门

【3】感谢网友@Fabulous 提供的runtime源代码。自己没有再下载。

如果同学需要runtime的源代码，在本博客进行留言留下邮箱。

或者去网站自主下载，https://opensource.apple.com/tarballs/
然后查找最新的objc 文件下，下载最新的opensource文件。