简介
Objective-C 是一门动态语言，它会将一些工作放在代码运行时才处理而并非编译时。也就是说，有很多类和成员变量在我们编译的时是不知道的，而在运行时，我们所编写的代码会转换成完整的确定的代码运行。
因此，编译器是不够的，我们还需要一个运行时系统(Runtime system)来处理编译后的代码。
Runtime 基本是用 C 和汇编写的，由此可见苹果为了动态系统的高效而做出的努力。苹果和 GNU 各自维护一个开源的 Runtime 版本，这两个版本之间都在努力保持一致。
点击这里可以下载苹果维护的开源代码。
id 和 Class 的定义
id
id 是一个参数类型，它是指向某个类的实例的指针。定义如下：
1 | typedef struct objc_object *id; |
以上定义，看到 objc_object 结构体包含一个 isa 指针，根据 isa 指针就可以找到对象所属的类。
注意：isa 指针在代码运行时并不总指向实例对象所属的类型，所以不能依靠它来确定类型，要想确定类型还是需要用对象的 -class 方法。
Class
typedef struct objc_class *Class;
Class 其实是指向 objc_class 结构体的指针。objc_class 的数据结构如下：
1 | struct objc_class { |
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。
其中 objc_ivar_list 和 objc_method_list 分别是成员变量列表和方法列表：
成员变量列表1
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8struct 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;
} OBJC2_UNAVAILABLE;
方法列表1
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10struct 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;
}
由此可见，我们可以动态修改 *methodList 的值来添加成员方法，这也是 Category 实现的原理，同样解释了 Category 不能添加属性的原因。
objc_ivar_list 结构体用来存储成员变量的列表，而 objc_ivar 则是存储了单个成员变量的信息；同理，objc_method_list 结构体存储着方法数组的列表，而单个方法的信息则由 objc_method 结构体存储。
值得注意的时，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。
当你发出一个类似 NSObject alloc 的消息时，实际上，这个消息被发送给了一个类对象(Class Object)，这个类对象必须是一个元类的实例，而这个元类同时也是一个根元类(Root Meta Class)的实例。所有元类的 isa 指针最终都指向根元类。
所以当 [NSObject alloc] 这条消息发送给类对象的时候，运行时代码 objc_msgSend() 会去它元类中查找能够响应消息的方法实现，如果找到了，就会对这个类对象执行方法调用。
上图实现是 super_class 指针，虚线时 isa 指针。而根元类的父类是 NSObject，isa指向了自己。而 NSObject 没有父类。
最后 objc_class 中还有一个 objc_cache ，缓存，它的作用很重要，后面会提到。
Method
讲解 Method（方法）之前，我们先讲解一下 SEL 。
1 | typedef struct objc_method *Method; |
objc_method 存储了方法名，方法类型和方法实现：
方法名类型为 SEL
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
method_imp 指向了方法的实现，本质是一个函数指针
SEL
它是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。它的数据结构是：
1 | typedef struct objc_selector *SEL; |
我们可以看出它是个映射到方法的 C 字符串，你可以通过 Objc 编译器器命令@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。
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。
Method 代表类中某个方法的类型：
IMP
IMP在objc.h中的定义是：
1 | typedef id (*IMP)(id, SEL, ...); |
它就是一个函数指针，这是由编译器生成的。当你发起一个 ObjC 消息之后，最终它会执行的那段代码，就是由这个函数指针指定的。而 IMP 这个函数指针就指向了这个方法的实现。
如果得到了执行某个实例某个方法的入口，我们就可以绕开消息传递阶段，直接执行方法，这在后面 Cache 中会提到。
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。
Ivar
Ivar 是表示成员变量的类型。
1 | typedef struct objc_ivar *Ivar; |
其中 ivar_offset 是基地址偏移字节。
##Cache
Cache 定义如下：
1 | typedef struct objc_cache *Cache |
Cache 为方法调用的性能进行优化，每当实例对象接收到一个消息时，它不会直接在 isa 指针指向的类的方法列表中遍历查找能够响应的方法，因为每次都要查找效率太低了，而是优先在 Cache 中查找。
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。就像计算机组成原理中 CPU 绕过主存先访问 Cache 一样。
Property
1 | typedef struct objc_property *objc_property_t; |
对应的方法接口：
1 | // 获取指定的属性 |
注意：返回的是属性列表，列表中每个元素都是一个 objc_property_t 指针。
关于 objc_property_attribute_t ，它记录着对应属性的类型。
举个例子，我们声明三个属性。
1 | @property (strong, nonatomic) NSString *name; |
我们通过接口获取属性的名字、类型1
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9unsigned int outCount = 0;
objc_property_t *properties = class_copyPropertyList([Person class], &outCount);
for (NSInteger i = 0; i < outCount; i++) {
NSString *name = [[NSString alloc] initWithUTF8String:property_getName(properties[i])];
NSString *attributes = [[NSString alloc] initWithUTF8String:property_getAttributes(properties[i])];
NSLog(@"%@--------%@", name, attributes);
}
打印结果为1
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3name--------T@"NSString",&,N,V_name
age--------Ti,N,V_age
weight--------Td,N,V_weight
objc_property_attribute_t 里面记录着属性的类型。详情看 官方文档。
消息
当我们调用调用方法时：1
[object message];
底层运行时会被编译器转化为：1
objc_msgSend(object, selector)
如果其还有参数比如：1
[object message:(id)arg...];
底层运行时会被编译器转化为：1
objc_msgSend(object, selector, arg1, arg2, ...)
流程
objc_msgSend 方法看清来好像返回了数据，其实objc_msgSend 从不返回数据，而是你的方法在运行时实现被调用后才会返回数据。下面详细叙述消息发送的步骤(如下图)：
- 首先检测这个 selector 是不是要忽略。比如 Mac OS X 开发，有了垃圾回收就不理会 retain，release 这些函数。
- 检测这个 selector 的 target 是不是 nil，Objc 允许我们对一个 nil 对象执行任何方法不会 Crash，因为运行时会被忽略掉。
- 如果上面两步都通过了，那么就开始查找这个类的实现 IMP，先从 cache 里查找，如果找到了就运行对应的函数去执行相应的代码。
- 如果 cache 找不到就找类的方法列表中是否有对应的方法。
- 如果类的方法列表中找不到就到父类的方法列表中查找，一直找到 NSObject 类为止。
- 如果还找不到，就要开始进入动态方法解析了，后面会提到。
在消息的传递中，编译器会根据情况在 objc_msgSend ， objc_msgSend_stret ， objc_msgSendSuper ， objc_msgSendSuper_stret 这四个方法中选择一个调用。如果消息是传递给父类，那么会调用名字带有 Super 的函数，如果消息返回值是数据结构而不是简单值时，会调用名字带有 stret 的函数。
参数
self 是在方法运行时被动态传入的。
当 objc_msgSend 找到方法对应实现时，它将直接调用该方法实现，并将消息中所有参数都传递给方法实现，同时，它还将传递两个隐藏参数：
接受消息的对象(self 所指向的内容，当前方法的对象指针)
方法选择器(_cmd 指向的内容，当前方法的 SEL 指针)
因为在源代码方法的定义中，我们并没有发现这两个参数的声明。它们时在代码被编译时被插入方法实现中的。尽管这些参数没有被明确声明，在源代码中我们仍然可以引用它们。
这两个参数中， self更实用。它是在方法实现中访问消息接收者对象的实例变量的途径。
这时我们可能会想到另一个关键字 super ，实际上 super 关键字接收到消息时，编译器会创建一个 objc_super 结构体：
1 | struct objc_super { id receiver; Class class; }; |
这个结构体指明了消息应该被传递给特定的父类。 receiver 仍然是 self 本身，当我们想通过 [super class] 获取父类时，编译器其实是将指向 self 的 id 指针和 class 的 SEL 传递给了 objc_msgSendSuper 函数。只有在 NSObject 类中才能找到 class 方法，然后 class 方法底层被转换为 object_getClass()， 接着底层编译器将代码转换为 objc_msgSend(objc_super->receiver, @selector(class))，传入的第一个参数是指向 self 的 id 指针，与调用 [self class] 相同，所以我们得到的永远都是 self 的类型。因此你会发现：
1 | // 这句话并不能获取父类的类型，只能获取当前类的类型名 |
获取方法地址
NSObject 类中有一个实例方法：methodForSelector，你可以用它来获取某个方法选择器对应的 IMP ，举个例子：
1 | void (*setter)(id, SEL, BOOL); |
当方法被当做函数调用时，两个隐藏参数也必须明确给出，上面的例子调用了1000次函数，你也可以尝试给 target 发送1000次 setFilled: 消息会花多久。
虽然可以更高效的调用方法，但是这种做法很少用，除非时需要持续大量重复调用某个方法的情况，才会选择使用以免消息发送泛滥。
注意：
methodForSelector:方法是由 Runtime 系统提供的，而不是 Objc 自身的特性。
动态方法解析
我们可以通过分别重载 resolveInstanceMethod: 和 resolveClassMethod: 方法添加实例方法实现和类方法实现。
当 Runtime 系统在 Cache 和类的方法列表(包括父类)中找不到要执行的方法时，Runtime 会调用 resolveInstanceMethod: 或 resolveClassMethod: 来给我们一次动态添加方法实现的机会。我们需要用 class_addMethod 函数完成向特定类添加特定方法实现的操作：
1 | void dynamicMethodIMP(id self, SEL _cmd) { |
上面的例子为 resolveThisMethodDynamically 方法添加了实现内容，就是 dynamicMethodIMP 方法中的代码。其中 “v@:” 表示返回值和参数。这个符号的含义和 objc_property_attribute_t 记录的属性类型一样。详情看 官方文档。
注意：
动态方法解析会在消息转发机制侵入前执行，动态方法解析器将会首先给予提供该方法选择器对应的 IMP 的机会。如果你想让该方法选择器被传送到转发机制，就让 resolveInstanceMethod: 方法返回 NO。
消息转发
消息转发的流程：
重定向
消息转发机制执行前，Runtime 系统允许我们替换消息的接收者为其他对象。通过 forwardingTargetForSelector 方法。
1 | - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector |
如果此方法返回 nil 或者 self，则会计入消息转发机制(forwardInvocation:)，否则将向返回的对象重新发送消息。
转发
当动态方法解析不做处理返回 NO 时，则会触发消息转发机制。这时 methodSignatureForSelector: 和 forwardInvocation: 方法会被执行，我们可以重写这个方法来自定义我们的转发逻辑：
1 | - (NSMethodSignature*)methodSignatureForSelector:(SEL)selector |
forwardInvocation: 唯一参数是个 NSInvocation 类型的对象，该对象封装了原始的消息和消息的参数。我们可以实现 forwardInvocation: 方法来对不能处理的消息做一些处理。也可以将消息转发给其他对象处理，而不抛出错误。
注意：
在 forwardInvocation: 消息发送前，Runtime 系统会向对象发送 methodSignatureForSelector: 消息，并取到返回的方法签名用于生成 NSInvocation 对象。所以重写 forwardInvocation: 的同时也要重写 methodSignatureForSelector: 方法，否则会抛异常。
通过实现自己的 forwardInvocation: 方法，我们可以将消息转发给其他对象。
forwardInvocation: 方法就是一个不能识别消息的分发中心，将这些不能识别的消息转发给不同的接收对象，或者转发给同一个对象，再或者将消息翻译成另外的消息，亦或者简单的“吃掉”某些消息，因此没有响应也不会报错。这一切都取决于方法的具体实现。
注意：
forwardInvocation:方法只有在消息接收对象中无法正常响应消息时才会被调用。所以，如果我们向往一个对象将一个消息转发给其他对象时，要确保这个对象不能有该消息的所对应的方法。否则，forwardInvocation:将不可能被调用。