(转译)Objective-C的动态特性 runtime

本文主要是介绍(转译)Objective-C的动态特性 runtime，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

原文地址 http://limboy.me/tech/2013/08/03/dynamic-tips-and-tricks-with-objective-c.html

这是一篇译文，原文在此，上一篇文章就是受这篇文章启发，这次干脆都翻译过来。

过去的几年中涌现了大量的Objective-C开发者。有些是从动态语言转过来的，比如Ruby或Python，有些是从强类型语言转过来的，如Java或C#，当然也有直接以Objective-C作为入门语言的。也就是说有很大一部分开发者都没有使用Objective-C太长时间。当你接触一门新语言时，更多地会关注基础知识，如语法和特性等。但通常有一些更高级的，更鲜为人知又有强大功能的特性等待你去开拓。

这篇文章主要是来领略下Objective-C的运行时(runtime)，同时解释是什么让Objective-C如此动态，然后感受下这些动态化的技术细节。希望这回让你对Objective-C和Cocoa是如何运行的有更好的了解。

##The Runtime Objective-C是一门简单的语言，95%是C。只是在语言层面上加了些关键字和语法。真正让Objective-C如此强大的是它的运行时。它很小但却很强大。它的核心是消息分发。

###Messages 如果你是从动态语言如Ruby或Python转过来的，可能知道什么是消息，可以直接跳过进入下一节。那些从其他语言转过来的，继续看。

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，就不那么明显了。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Objective-C中，消息是通过objc_msgSend()这个runtime方法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变成objc_msgSend来执行。比如下面这两行代码是等价的。

[array insertObject:foo atIndex:5];
objc_msgSend(array, @selector(insertObject:atIndex:), foo, 5);

###Objects, Classes, MetaClasses 大多数面向对象的语言里有 classes 和 objects 的概念。Objects通过Classes生成。但是在Objective-C中，classes本身也是objects(译者注：这点跟python很像)，也可以处理消息，这也是为什么会有类方法和实例方法。具体来说，Objective-C中的Object是一个结构体(struct)，第一个成员是isa，指向自己的class。这是在objc/objc.h中定义的。

typedef struct objc_object {Class isa;
} *id;

object的class保存了方法列表，还有指向父类的指针。但classes也是objects，也会有isa变量，那么它又指向哪儿呢？这里就引出了第三个类型: metaclasses。一个 metaclass被指向class，class被指向object。它保存了所有实现的方法列表，以及父类的metaclass。如果想更清楚地了解objects,classes以及metaclasses是如何一起工作地，可以阅读这篇文章。

###Methods, Selectors and IMPs 我们知道了运行时会发消息给对象。我们也知道一个对象的class保存了方法列表。那么这些消息是如何映射到方法的，这些方法又是如何被执行的呢？

第一个问题的答案很简单。class的方法列表其实是一个字典，key为selectors，IMPs为value。一个IMP是指向方法在内存中的实现。很重要的一点是，selector和IMP之间的关系是在运行时才决定的，而不是编译时。这样我们就能玩出些花样。

IMP通常是指向方法的指针，第一个参数是self，类型为id，第二个参数是_cmd，类型为SEL，余下的是方法的参数。这也是self和_cmd被定义的地方。下面演示了Method和IMP

- (id)doSomethingWithInt:(int)aInt{}id doSomethingWithInt(id self, SEL _cmd, int aInt){}

###其他运行时的方法现在我们知道了objects,classes,selectors,IMPs以及消息分发，那么运行时到底能做什么呢？主要有两个作用：

创建、修改、自省classes和objects
消息分发

之前已经提过消息分发，不过这只是一小部分功能。所有的运行时方法都有特定的前缀。下面是一些有意思的方法：

####class class开头的方法是用来修改和自省classes。方法如class_addIvar,class_addMethod, class_addProperty和class_addProtocol允许重建classes。class_copyIvarList, class_copyMethodList, class_copyProtocolList和class_copyPropertyList能拿到一个class的所有内容。而class_getClassMethod,class_getClassVariable, class_getInstanceMethod, class_getInstanceVariable,class_getMethodImplementation和class_getProperty返回单个内容。

也有一些通用的自省方法，如class_conformsToProtocol, class_respondsToSelector,class_getSuperclass。最后，你可以使用class_createInstance来创建一个object。

####ivar 这些方法能让你得到名字，内存地址和Objective-C type encoding。

####method 这些方法主要用来自省，比如method_getName, method_getImplementation,method_getReturnType等等。也有一些修改的方法，包括method_setImplementation和method_exchangeImplementations，这些我们后面会讲到。

####objc 一旦拿到了object，你就可以对它做一些自省和修改。你可以get/set ivar, 使用object_copy和object_dispose来copy和free object的内存。最NB的不仅是拿到一个class，而是可以使用object_setClass来改变一个object的class。待会就能看到使用场景。

####property 属性保存了很大一部分信息。除了拿到名字，你还可以使用property_getAttributes来发现property的更多信息，如返回值、是否为atomic、getter/setter名字、是否为dynamic、背后使用的ivar名字、是否为弱引用。

####protocol Protocols有点像classes，但是精简版的，运行时的方法是一样的。你可以获取method, property, protocol列表, 检查是否实现了其他的protocol。

####sel 最后我们有一些方法可以处理 selectors，比如获取名字，注册一个selector等等。

现在我们对Objective-C的运行时有了大概的了解，来看看它们能做哪些有趣的事情。

##Classes And Selectors From Strings 比较基础的一个动态特性是通过String来生成Classes和Selectors。Cocoa提供了NSClassFromString和NSSelectorFromString方法，使用起来很简单：

Class stringclass = NSClassFromString(@"NSString");

于是我们就得到了一个string class。接下来：

NSString *myString = [stringclass stringWithString:@"Hello World"];

为什么要这么做呢？直接使用Class不是更方便？通常情况下是，但有些场景下这个方法会很有用。首先，可以得知是否存在某个class，NSClassFromString 会返回nil，如果运行时不存在该class的话。比如可以检查NSClassFromString(@"NSRegularExpression")是否为nil来判断是否为iOS4.0+。

另一个使用场景是根据不同的输入返回不同的class或method。比如你在解析一些数据，每个数据项都有要解析的字符串以及自身的类型（String，Number，Array）。你可以在一个方法里搞定这些，也可以使用多个方法。其中一个方法是获取type，然后使用if来调用匹配的方法。另一种是根据type来生成一个selector，然后调用之。以下是两种实现方式：

- (void)parseObject:(id)object {for (id data in object) {if ([[data type] isEqualToString:@"String"]) {[self parseString:[data value]]; } else if ([[data type] isEqualToString:@"Number"]) {[self parseNumber:[data value]];} else if ([[data type] isEqualToString:@"Array"]) {[self parseArray:[data value]];}}
}
- (void)parseObjectDynamic:(id)object {for (id data in object) {[self performSelector:NSSelectorFromString([NSString stringWithFormat:@"parse%@:", [data type]]) withObject:[data value]];}
}
- (void)parseString:(NSString *)aString {}
- (void)parseNumber:(NSString *)aNumber {}
- (void)parseArray:(NSString *)aArray {}

可一看到，你可以把7行带if的代码变成1行。将来如果有新的类型，只需增加实现方法即可，而不用再去添加新的 else if。

##Method Swizzling 之前我们讲过，方法由两个部分组成。Selector相当于一个方法的id；IMP是方法的实现。这样分开的一个便利之处是selector和IMP之间的对应关系可以被改变。比如一个 IMP 可以有多个 selectors 指向它。

而 Method Swizzling 可以交换两个方法的实现。或许你会问“什么情况下会需要这个呢？”。我们先来看下Objective-C中，两种扩展class的途径。首先是 subclassing。你可以重写某个方法，调用父类的实现，这也意味着你必须使用这个subclass的实例，但如果继承了某个Cocoa class，而Cocoa又返回了原先的class(比如 NSArray)。这种情况下，你会想添加一个方法到NSArray，也就是使用Category。99%的情况下这是OK的，但如果你重写了某个方法，就没有机会再调用原先的实现了。

Method Swizzling 可以搞定这个问题。你可以重写某个方法而不用继承，同时还可以调用原先的实现。通常的做法是在category中添加一个方法(当然也可以是一个全新的class)。可以通过method_exchangeImplementations这个运行时方法来交换实现。来看一个demo，这个demo演示了如何重写addObject:方法来纪录每一个新添加的对象。

#import  <objc/runtime.h>

@interface NSMutableArray (LoggingAddObject)
- (void)logAddObject:(id)aObject;
@end@implementation NSMutableArray (LoggingAddObject)+ (void)load {Method addobject = class_getInstanceMethod(self, @selector(addObject:));Method logAddobject = class_getInstanceMethod(self, @selector(logAddObject:));method_exchangeImplementations(addObject, logAddObject);
}- (void)logAddObject:(id)aobject {[self logAddObject:aObject];NSLog(@"Added object %@ to array %@", aObject, self);
}@end

我们把方法交换放到了load中，这个方法只会被调用一次，而且是运行时载入。如果指向临时用一下，可以放到别的地方。注意到一个很明显的递归调用logAddObject:。这也是Method Swizzling容易把我们搞混的地方，因为我们已经交换了方法的实现，所以其实调用的是addObject:

Method Swizzling

##动态继承、交换我们可以在运行时创建新的class，这个特性用得不多，但其实它还是很强大的。你能通过它创建新的子类，并添加新的方法。

但这样的一个子类有什么用呢？别忘了Objective-C的一个关键点：object内部有一个叫做isa的变量指向它的class。这个变量可以被改变，而不需要重新创建。然后就可以添加新的ivar和方法了。可以通过以下命令来修改一个object的class

object_setClass(myObject, [MySubclass class]);

这可以用在Key Value Observing。当你开始observing an object时，Cocoa会创建这个object的class的subclass，然后将这个object的isa指向新创建的subclass。点击这里查看更详细的解释。

##动态方法处理目前为止，我们讨论了方法交换，以及已有方法的处理。那么当你发送了一个object无法处理的消息时会发生什么呢？很明显，”it breaks”。大多数情况下确实如此，但Cocoa和runtime也提供了一些应对方法。

首先是动态方法处理。通常来说，处理一个方法，运行时寻找匹配的selector然后执行之。有时，你只想在运行时才创建某个方法，比如有些信息只有在运行时才能得到。要实现这个效果，你需要重写+resolveInstanceMethod: 和/或 +resolveClassMethod:。如果确实增加了一个方法，记得返回YES。

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

那Cocoa在什么场景下会使用这些方法呢？Core Data用得很多。NSManagedObjects有许多在运行时添加的属性用来处理get/set属性和关系。那如果Model在运行时被改变了呢？

##消息转发如果 resolve method 返回NO，运行时就进入下一步骤：消息转发。有两种常见用例。1) 将消息转发到另一个可以处理该消息的object。2) 将多个消息转发到同一个方法。

消息转发分两步。首先，运行时调用-forwardingTargetForSelector:，如果只是想把消息发送到另一个object，那么就使用这个方法，因为更高效。如果想要修改消息，那么就要使用-forwardInvocation:，运行时将消息打包成NSInvocation，然后返回给你处理。处理完之后，调用invokeWithTarget:。

Cocoa有几处地方用到了消息转发，主要的两个地方是代理(Proxies)和响应链(Responder Chain)。NSProxy是一个轻量级的class，它的作用就是转发消息到另一个object。如果想要惰性加载object的某个属性会很有用。NSUndoManager也有用到，不过是截取消息，之后再执行，而不是转发到其他的地方。

响应链是关于Cocoa如何处理与发送事件与行为到对应的对象。比如说，使用Cmd+C执行了copy命令，会发送-copy:到响应链。首先是First Responder，通常是当前的UI。如果没有处理该消息，则转发到下一个-nextResponder。这么一直下去直到找到能够处理该消息的object，或者没有找到，报错。

##使用Block作为Method IMP iOS 4.3带来了很多新的runtime方法。除了对properties和protocols的加强，还带来一组新的以 imp 开头的方法。通常一个 IMP 是一个指向方法实现的指针，头两个参数为 object(self)和selector(_cmd)。iOS 4.0和Mac OS X 10.6 带来了block，imp_implementationWithBlock() 能让我们使用block作为 IMP，下面这个代码片段展示了如何使用block来添加新的方法。

IMP myIMP = imp_implementationWithBlock(^(id _self, NSString *string) {NSLog(@"Hello %@", string);
});
class_addMethod([MYclass class], @selector(sayHello:), myIMP, "v@:@");