浅析运行时Runtime

运行时

Objective-C是一门简单的语言，底层95%都是C语言，经过了一层封装，具有了面向对象的能力。Objectice-runtime其实是一个runtime库，真正让OC强大的就是这个高级特性运行时。

在这个库中，对象可以用C语言中的结构体表示，而方法可以用C函数来实现，另外再加上了一些额外的特性。这些结构体和函数被runtime函数封装后，我们就可以在程序运行时创建，检查，修改类、对象和它们的方法。

这里讲一下关于消息。执行一个方法，有些语言，编译器会执行一些额外的优化和错误检查，因为调用关系很直接也很明显，但对于消息分发来说，就不name明显了。在发消息前不必知道某个对象是否能够处理消息，你把消息发给它，它可能会处理，也可能转给其他的Object来处理。一个消息不必对应一个方法，一个对象可能实现一个方法来处理多条消息。在OC中，消息是通过objc_msgSend()这个runtime方法以及相近的方法来实现的，这个方法需要一个target，selector，还有一些参数。理论上来说，编译器只是把消息分发编程object_msgSend来执行。比如下图两行代码是等价的：

Objective-C runtime目前有两个版本：Modern runtime和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

ARC是在运行时完成对象的retain和release，由编译器自动完成，不需要程序员参与手动执行，内部运用运行时原理，在程序执行过程中实现。

大多数情况下，运行时系统仅在幕后自动工作，主要用于编写和编译Objective-C源程序。OC编译器Clang可以将OC源程序重写为CPP的代码，从而可以实现看到底层运行时的实现原理，是了解OC实现原理的重要手段之一。实现步骤：打开终端->cd项目文件目录->clang-rewrite-objc main.m ->open main.cpp ，这样我们可以更清晰的了解底层实现机制，重写的越简单越好。

isa 指针

Ojbective-C 中每个对象都有一个标明自己是什么对象的指针 – isa , 意为 “is a xxx”。 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。下面是 Objective-C 非 2.0 版模型结构：

正如上述所说，因为类也是一个对象，那它也必须是另一个类的实列，这个类就是元类(metaclass)。元类保存了类方法的列表。当一个类方法被调用时，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，直到一直找到继承链的头。
元类(metaclass)也是一个对象，那么元类的isa指针又指向哪里呢？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(root metaclass)本身的isa指针指向自己，这样就行成了一个闭环。上面提到，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。不过这么设计保证了面向对象的干净，即所有事物都是对象，都有isa指针
 （tagged pointer 例外）。
我们再来看看继承关系，由于类方法的定义是保存在元类(metaclass)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可以在子类中可以被调用，所以子类的元类会继承父类的元类，换而言之，类对象和元类对象有着同样的继承关系。

那么这里的isa到底指向哪呢？

由于OC中，一个类也是一个对象，所以它也必须是另一个类的实例，这个类就是元类（metaclass）。元类保存了类方法的列表。当一个类方法被调用时，元类会首先找到本身是否有其实现，如果没有则向父类中查找。元类也是一个对象，元类的isa指针则指向根元类（root metaclass）。而根元类的isa指向自己，这样就完成了一次闭环。

为了了清楚的描述继承和isa指向的关系，苹果在官方文档中也给出了这样一个图例：

实线箭头表示继承关系，而虚线则表示isa指针指向。

概括来说就是：给一个类发消息，找元类继承链，给一个类的实例发消息，找累继承链。实例isa指向类，类isa指向元类，元类isa指向根元类，根元类isa指向自己。

下面是写了一个demo及打印，可以很好的解释类，元类，根元类之间的关系。

其它成员变量：
  super_class：这个指针就是指向该class的super class，即指向父类，如果该类已经是最顶层的根类(如NSObject或NSProxy)，则super_class为NULL。
  objc_cache：用于缓存最近使用的方法。一个接收者对象接收到一个消息时，它会根据isa指针去查找能够响应这个消息的对象。在实际使用中，这个对象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上。这种情况下，如果每次消息来时，我们都是methodLists中遍历一遍，性能势必很差。这时，cache就派上用场了。在我们每次调用过一个方法后，这个方法就会被缓存到cache列表中，下次调用的时候runtime就会优先去cache中查找，如果cache没有，才去methodLists中查找方法。这样，对于那些经常用到的方法的调用，但提高了调用的效率。
  version：我们可以使用这个字段来提供类的版本信息。这对于对象的序列化非常有用，它可是让我们识别出不同类定义版本中实例变量布局的改变。
  objc_method_list方法链表中存放的是该类的成员方法(-方法)，类方法(+方法)存在meta-class的objc_method_list链表中，可以通过修改 objc_method_list指针指向的指针的值 可以动态地 为某一个类增加成员方法 这也是 category 实现的原理。

参考博客：http://limboy.me/ios/2013/08/03/dynamic-tips-and-tricks-with-objective-c.html
              http://rannie.github.io/ios/2015/02/13/oc-object.html