Runtime简介

做过Android开发的同学都知道，早期的Android系统采用的是Dalvik机制，应用每次运行的时候，字节码都需要通过即时编译器转换为机器码，大大的降低了app的运行效率。在Android 5.0系统之后，系统采用了ART机制，应用在第一次安装的时候，字节码就会预先编译成机器码，以后每次运行速度大大的提高了。

OC是一门动态语言，所以它总是想办法把一些决定工作从编译推迟到运行时，也就是说在iOS的编译系统里，光有编译器是不够的，还需要一个运行时系统 (runtime system) 来执行编译后的工作。

iOS系统采用的就是Runtime机制。对于C语言，函数的调用在编译的时候会决定调用哪个函数。对于OC函数来说，在编译的时候并不能决定真正调用哪个函数，只有在真正运行的时候才会根据函数的名称找到对应的函数来调用。

基本结构

要谈Runtime机制，必然要先了解OC的对象以及类的结构。首先我们看一下和Runtime相关的头文件。

和运行时相关的头文件，其中主要使用的函数定义在message.h和runtime.h这两个文件中。在message.h中主要包含了一些向对象发送消息的函数，这是OC对象方法调用的底层实现。使用时只需要导入头文件即可。

#import <objc/message.h> 
#import <objc/runtime.h>

runtime.h是运行时最重要的文件，其中包含了对运行时进行操作的方法。 主要包括：

操作对象的类型的定义

/// An opaque type that represents a method in a class definition. 一个类型，代表着类定义中的一个方法 
typedef struct objc_method *Method; 
 
/// An opaque type that represents an instance variable.代表实例(对象)的变量 
typedef struct objc_ivar *Ivar; 
 
/// An opaque type that represents a category.代表一个分类 
typedef struct objc_category *Category; 
 
/// An opaque type that represents an Objective-C declared property.代表OC声明的属性 
typedef struct objc_property *objc_property_t; 
 
// Class代表一个类，它在objc.h中这样定义的  typedef struct objc_class *Class; 
struct objc_class { 
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY; 
 
#if !__OBJC2__ 
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE; 
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE; 
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE; 
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE; 
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE; 
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE; 
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE; 
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE; 
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE; 
#endif 
 
} OBJC2_UNAVAILABLE;

这些类型的定义，对一个类进行了完全的分解，将类定义或者对象的每一个部分都抽象为一个类型type，对操作一个类属性和方法非常方便。OBJC2_UNAVAILABLE标记的属性是Ojective-C 2.0不支持的,但实际上可以用响应的函数获取这些属性。

对于上面的源码，有几个字段需要说明：
isa：这里的isa指针同样是一个指向objc_class的指针，表明该Class的类型，这里的isa指针指向的就是我们常说的meta-class了。不难看出，类本身也是一个对象。
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。
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。

通过图来描述相应的继承关系如下：

说明：
所有metaclass中isa指针都指向跟metaclass,而跟metaclass则指向自身。
Root metaclass是通过继承Root class产生的,与root class结构体成员一致，也就是前面提到的结构。
不同的是Root metaclass的isa指针指向自身。
root class的super class 指向的是nil。

函数的定义

函数的定义规则如下：

• 对对象进行操作的方法一般以object_开头
• 对类进行操作的方法一般以class_开头
• 对类或对象的方法进行操作的方法一般以method_开头
• 对成员变量进行操作的方法一般以ivar_开头
• 对属性进行操作的方法一般以property_开头开头
• 对协议进行操作的方法一般以protocol_开头

例如：使用runtime对当前的应用中加载的类进行打印操作。

- (void)touchesBegan:(NSSet *)touches withEvent:(UIEvent *)event { 
    unsigned int count = 0; 
    Class *classes = objc_copyClassList(&count); 
    for (int i = 0; i < count; i++) { 
        const char *cname = class_getName(classes[i]); 
        printf("%s/n", cname); 
    } 
}

Runtime应用

那么Runtime在我们实际开发中会起到说明作用呢？主要有以下几点：
1. 动态的添加对象的成员变量和方法,修改属性值和方法
2. 动态交换两个方法的实现
3. 实现分类也可以添加属性
4. 实现NSCoding的自动归档和解档
5. 实现字典转模型的自动转换
6. 动态创建一个类(比如KVO的底层实现)

OC的方法调用在Runtime

1.OC代码调用方法

Receiver *receiver = [[Receiver alloc] init]; 
 [receiver  message];

2.在编译时RunTime会将上述代码转化成[发送消息]

objc_msgSend(receiver,@selector(message));

下面我们通过一个简单的例子来讲解Runtime的常见应用。
创建Student类

#import <Foundation/Foundation.h> 
#import <UIKit/UIKit.h> 
@interface Student : NSObject 
@property(nonatomic,copy)NSString *name; 
- (void)eat; 
- (void)sleep; 
@end

Student.m文件

#import "Student.h" 
@implementation Student 
- (void)eat{ 
    NSLog(@"[email protected]",self.name); 
} 
- (void)sleep{ 
    NSLog(@"[email protected]",self.name); 
} 
@end

1. 动态变量控制

- (void)changeVariable { 
    Student *student = [Student new]; 
    student.name = @"库克"; 
    NSLog(@"%@",student.name); 
 
    unsigned int count; 
    Ivar *ivar = class_copyIvarList([student class], &count); 
    for (int i = 0; i< count; i++) { 
        Ivar var = ivar[i]; 
        const char *varName = ivar_getName(var); 
        NSString *name = [NSString stringWithCString:varName encoding:NSUTF8StringEncoding]; 
        if ([name isEqualToString:@"_name"]) { 
            object_setIvar(student, var, @"Steve Jobs"); 
            break; 
        } 
    } 
    NSLog(@"%@",student.name);    
}

输出结果:

2017-05-22 11:06:00.153 Day2017-05-22[9296:1003059] 库克 
2017-05-22 11:06:03.155 Day2017-05-22[9296:1003059] Steve Jobs

2.动态添加方法

void happyNewYear(id self, SEL _cmd){ 
    NSLog(@"你好库克"); 
}

注意:
1.void的前面没有+、-号，因为只是C的代码。
2.必须有两个指定参数(id self,SEL _cmd)

- (void)addMethod 
{ 
    Student *student = [Student new]; 
    student.name = @"库克"; 
 
    class_addMethod([student class], @selector(join), (IMP)happyNewYear, "v@:"); 
    [student performSelector:@selector(join)]; 
}

输出结果：

2017-05-22 11:10:06.379 Day2017-05-22[9296:1003059] 你好库克

3. 动态为Category扩展加属性

[email protected]，编译通过，但运行时如果没有Runtime处理，进行赋值取值，就马上报错。
首先添加分类Student+Category
头文件：

#import "Student.h" 
@interface Student (Category) 
@property(nonatomic,copy)NSString *firstName; 
@end

.m文件：

#import "Student+Category.h" 
#import <objc/runtime.h> 
@implementation Student (Category) 
const char name; 
- (void)setFirstName:(NSString *)firstName  { 
    objc_setAssociatedObject(self, &name, firstName, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC); 
} 
-(NSString *)firstName { 
   return  objc_getAssociatedObject(self, &name); 
} 
@end

调用：

- (void)addExtentionProperty 
{ 
    Student *student = [Student new]; 
    student.firstName = @"Steve"; 
    NSLog(@"添加属性firstName结果:%@ ",student.firstName); 
}

4.动态交换方法实现

- (void)exchangeMethod 
{ 
    Student *student = [Student new]; 
    student.name = @"库克"; 
    [student eat]; 
    [student sleep]; 
 
    NSLog(@"----------交换方法实现-----------"); 
    Method m1 = class_getInstanceMethod([student class], @selector(eat)); 
    Method m2 = class_getInstanceMethod([student class], @selector(sleep)); 
    method_exchangeImplementations(m1, m2); 
 
    [student eat]; 
    [student sleep]; 
}