探索Objective-C底层 - Runtime（二）

引言

在Objective - C的开发中，Runtime 系统是其核心的动态特性支撑。在之前的文章里，我们已经对 isa 指针、class 结构和方法缓存等基础概念有了深入了解。这篇文章将继续深入探究 Runtime 里的几个关键部分，像 objc_msgSend 的三个阶段、super 的本质以及 isKindOf 和 isMemberOf 的底层实现等。

一、objc_msgSend 的三个阶段

1.1 消息机制概述

在Objective - C里，方法调用本质上是消息发送的过程。当代码里出现 [object method] 这样的方法调用时，编译器会把它转化为 objc_msgSend(object, @selector(method)) 函数调用。objc_msgSend 函数承担着在运行时找到并执行对应方法的重要任务，其执行过程分为三个阶段：消息发送、动态方法解析和消息转发。

1.2 消息发送阶段

消息发送阶段是 objc_msgSend 的首要步骤，它的主要任务是查找方法的实现。具体流程如下：

**检查接收者是否为 nil**：要是接收者为 nil，消息发送会直接返回，不会有任何操作。这也是Objective - C中给 nil 对象发送消息不会引发崩溃的原因。
查找方法缓存：先在接收者对象所属类的方法缓存里查找目标方法。由于方法缓存运用了哈希表结构，查找速度非常快。若在缓存中找到该方法，就直接调用其实现。
查找方法列表：若缓存中未找到目标方法，就会在接收者对象所属类的方法列表中查找。如果找到了，就将该方法添加到缓存中，再调用其实现。
查找父类：要是在当前类的方法列表中没找到目标方法，会沿着继承链向上，在父类的方法缓存和方法列表中继续查找，直至找到或者到达根类。

1.3 动态方法解析阶段

若在消息发送阶段没有找到目标方法，就会进入动态方法解析阶段。在这个阶段，Runtime 会调用 resolveInstanceMethod:（针对实例方法）或者 resolveClassMethod:（针对类方法）方法，让开发者有机会动态添加方法的实现。示例代码如下：

@implementation MyClass

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(dynamicMethod)) {
        class_addMethod(self, sel, (IMP)dynamicMethodIMP, "v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

void dynamicMethodIMP(id self, SEL _cmd) {
    NSLog(@"Dynamic method called.");
}

@end

在上述代码中，当调用 dynamicMethod 方法且该方法未找到时，resolveInstanceMethod: 会被调用，在这个方法里动态添加了 dynamicMethod 的实现。

1.4 消息转发阶段

若动态方法解析阶段也未能解决问题，就会进入消息转发阶段。消息转发分为两个步骤：

备用接收者：Runtime 会调用 forwardingTargetForSelector: 方法，询问是否有其他对象可以处理这个消息。若返回一个非 nil 的对象，就会把消息转发给这个对象处理。示例代码如下：
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- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
if (aSelector == @selector(anotherMethod)) {
return anotherObject;
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}

完整消息转发：若备用接收者阶段没有处理消息，Runtime 会调用 methodSignatureForSelector: 方法获取方法签名，接着调用 forwardInvocation: 方法，开发者可以在这个方法里自定义消息的处理逻辑。示例代码如下：

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(yetAnotherMethod)) {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
    }
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    SEL selector = [anInvocation selector];
    if ([anotherObject respondsToSelector:selector]) {
        [anInvocation invokeWithTarget:anotherObject];
    } else {
        [super forwardInvocation:anInvocation];
    }
}

二、super 的本质

2.1 super 的基本概念

在Objective - C里，super 关键字常被用于调用父类的方法。不过，super 并非一个对象，而是一个编译器指示符。当使用 super 调用方法时，实际上是告诉编译器从父类开始查找方法的实现。

2.2 super 的底层实现

super 的底层是通过 objc_msgSendSuper 函数实现的。objc_msgSendSuper 函数接收一个 objc_super 结构体作为参数，这个结构体定义如下：

struct objc_super {
    __unsafe_unretained _Nonnull id receiver;
    __unsafe_unretained _Nonnull Class super_class;
};

receiver：消息的接收者，也就是当前对象。
super_class：开始查找方法实现的父类。

当使用 super 调用方法时，编译器会生成如下代码：

struct objc_super superReceiver;
superReceiver.receiver = self;
superReceiver.super_class = [self superclass];
objc_msgSendSuper(&superReceiver, @selector(method));

这表明 super 调用方法时，接收者依然是当前对象 self，只是从父类开始查找方法的实现。

2.3 super 使用示例

下面通过一个具体的例子来理解 super 的使用：

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface Animal : NSObject
- (void)eat;
@end

@implementation Animal
- (void)eat {
    NSLog(@"Animal is eating.");
}
@end

@interface Dog : Animal
- (void)eat;
@end

@implementation Dog
- (void)eat {
    [super eat];
    NSLog(@"Dog is eating.");
}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Dog *dog = [[Dog alloc] init];
        [dog eat];
    }
    return 0;
}

在上述代码中，Dog 类继承自 Animal 类，并重写了 eat 方法。在 Dog 类的 eat 方法中，使用 [super eat] 调用了父类 Animal 的 eat 方法，然后再执行自身的逻辑。运行这段代码，输出结果如下：

1 2	Animal is eating. Dog is eating.

这说明 super 成功调用了父类的方法，并且当前对象依然是 Dog 实例。

三、isKindOf 和 isMemberOf 的底层实现

3.1 isKindOfClass 方法

isKindOfClass 方法用于判断一个对象是否是某个类或者其子类的实例。其底层实现逻辑如下：

+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = object_getClass((id)self); tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

从上述代码可以看出，isKindOfClass 方法会沿着继承链向上查找，逐个比较对象所属类及其父类是否与传入的类相等，只要有一个相等就返回 YES，否则返回 NO。

3.2 isKindOfClass 示例

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface Animal : NSObject
@end

@implementation Animal
@end

@interface Dog : Animal
@end

@implementation Dog
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Dog *dog = [[Dog alloc] init];
        BOOL result1 = [dog isKindOfClass:[Dog class]];
        BOOL result2 = [dog isKindOfClass:[Animal class]];
        BOOL result3 = [dog isKindOfClass:[NSObject class]];
        NSLog(@"Is dog an instance of Dog: %d", result1);
        NSLog(@"Is dog an instance of Animal: %d", result2);
        NSLog(@"Is dog an instance of NSObject: %d", result3);
    }
    return 0;
}

在这个例子中，Dog 类继承自 Animal 类，Animal 类继承自 NSObject 类。dog 实例调用 isKindOfClass 方法分别判断是否为 Dog、Animal 和 NSObject 类的实例。运行结果如下：

1
2
3

Is dog an instance of Dog: 1
Is dog an instance of Animal: 1
Is dog an instance of NSObject: 1

这表明 dog 既是 Dog 类的实例，也是 Animal 类和 NSObject 类的实例，因为 isKindOfClass 会考虑继承关系。

3.3 isMemberOfClass 方法

isMemberOfClass 方法用于判断一个对象是否是某个类的直接实例，不包括子类。其底层实现逻辑如下：

+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return object_getClass((id)self) == cls;
}

- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return [self class] == cls;
}

从代码可知，isMemberOfClass 方法直接比较对象所属类是否与传入的类相等，只有相等时才返回 YES，否则返回 NO。

3.4 isMemberOfClass 示例

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface Animal : NSObject
@end

@implementation Animal
@end

@interface Dog : Animal
@end

@implementation Dog
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Dog *dog = [[Dog alloc] init];
        BOOL result1 = [dog isMemberOfClass:[Dog class]];
        BOOL result2 = [dog isMemberOfClass:[Animal class]];
        NSLog(@"Is dog a direct instance of Dog: %d", result1);
        NSLog(@"Is dog a direct instance of Animal: %d", result2);
    }
    return 0;
}

在这个例子中，dog 实例调用 isMemberOfClass 方法分别判断是否为 Dog 类和 Animal 类的直接实例。运行结果如下：

1 2	Is dog a direct instance of Dog: 1 Is dog a direct instance of Animal: 0

这表明 dog 是 Dog 类的直接实例，但不是 Animal 类的直接实例，因为 isMemberOfClass 不考虑继承关系。

四、总结

深入理解 objc_msgSend 的三个阶段、super 的本质以及 isKindOf 和 isMemberOf 的底层实现，能让我们更清晰地把握Objective - C的消息机制和继承体系。objc_msgSend 的三个阶段为方法调用提供了极大的灵活性，让我们可以在运行时动态添加和转发方法；super 的本质让我们明白它是如何调用父类方法的；isKindOf 和 isMemberOf 的底层实现则帮助我们准确判断对象与类之间的关系。这些知识对于优化代码性能、解决复杂问题以及实现高级功能都有着重要的意义。希望通过本文的介绍，你能对Objective - C Runtime有更深入的认识。

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