NSOiOOC对象模型及运行时(2/3)－消息 2014-01-11

Part1主要讲了Objective-C的对象模型以及怎样动态创建一个类，稍微说了点运行时的消息传递，这一部分将要重点说一下运行时以及其中最重要的一个概念－消息，以及消息是怎么传递、转发的。

运行时

运行时是一套开源的C和汇编代码库，是Objective-C的运行系统，它能为编译好的Objective-C代码提供强大的动态特性；运行时由两套版本：lagecy version 和 modern version，在64bit的 OS X 及iOS平台都是使用的modern version，当然后者的功能更强大一些。

那么怎样才能和运行时系统进行交互呢？Objective-C提供了三种方法。

  • 不知不觉的交互

运行时其实无处不在，只是有时候我们可能并没有感觉到它的存在而已；当我们向一个对象发送任意一条消息，背后就是运行时控制去完成的。

  • 间接的交互

Fondation框架NSObject对象定义了一些自省方法，这些方法都是和运行时去打交道。比如：和类的继承关系有关的一些方法isKindOfClass:,isMemberOfClass:,判断能不能响应某一个方法，是不是符合某一个协议的：respondsToSelector:、conformsToProtocol:还有对象之间进行相比较的isEqual:,这些都是由运行时去完成的。

  • 直接的交互

通过导入头文件<objc/runtime.h>,我们就可以直接使用运行时来进行编程了，其方法大致一共分下面几类，和类相关的方法(只说前缀) class_，和对象相关的方法：objc_，和方法相关的：method_ sel_ imp_ ，和协议相关的：protocol_ 和属性相关的 property_。

消息

在第一种交互方式中，我们发送一条消息，运行时在中间是怎么工作的呢？其过程主要分为以下几步：

  • 编译器的转换

当我们向一个对象发送一条消息，

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[receiver message]

第一条指令编译器会帮我们变成这样

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id objc_msgSend(id self, SEL _cmd, ...)
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/// 不透明结构体, selector
typedef struct objc_selector *SEL;

/// 函数指针, 用于表示对象方法的实现
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);

其中，self是消息接受者，即receiver，_cmd是selector，…是可变参数，这就是一个标准的C函数，它的指针我们用IMP来表示，其实，我们向要调用的方法最终也是一个C函数，；我们向一个对象发送一条消息目的是要执行某一个方法，到了运行时那里，就变成了根据消息接收者和selector去寻找函数指针IMP，并且调用执行它。而且运行时会隐含给我们所调用的方法发送两个隐含参数：self和_cmd,我们可以在方法中使用它。

当向一般对象发送消息时，调用objc_msgSend；当向super发送消息时，调用的是objc_msgSendSuper； 如果返回值是一个结构体，则会调用objc_msgSend_stret或objc_msgSendSuper_stret。

这里需要注意的一点时，super只是编译器的一个提示符，让运行时直接去调用父类的方法，其消息接收者是self；面试题：[super class]返回什么？详细细节可参考这里

  • objc_msgSend的执行过程 - 消息处理

为了加快速度，苹果对这个方法做了很多优化，这个方法是用汇编实现的。伪代码表示：

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id objc_msgSend(id self, SEL op, ...) {
	if (!self) return nil;
	IMP imp = class_getMethodImplementation(self->isa, SEL op);
	imp(self, op, ...); //调用这个函数，伪代码...
}

//查找IMP
IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL sel) {
	if (!cls || !sel) return nil;
	IMP imp = lookUpImpOrNil(cls, sel);
	if (!imp) return _objc_msgForward; //这个是用于消息转发的
	return imp;
}

IMP lookUpImpOrNil(Class cls, SEL sel) {
	if (!cls->initialize()) {
		_class_initialize(cls);
	}

	Class curClass = cls;
	IMP imp = nil;
	do { //先查缓存,缓存没有时重建,仍旧没有则向父类查询
		if (!curClass) break;
		if (!curClass->cache) fill_cache(cls, curClass);
		imp = cache_getImp(curClass, sel);
		if (imp) break;
	} while (curClass = curClass->superclass);

	return imp;
}

objc_msgSend的动作比较清晰：首先在Class中的缓存查找imp（没缓存则初始化缓存），如果没找到，则向父类的Class查找。如果一直查找到根类仍旧没有找到，则用_objc_msgForward函数指针代替imp。最后，执行这个imp。

_objc_msgForward是用于消息转发的。这个函数的实现并没有在objc-runtime的开源代码里面，而是在Foundation框架里面实现的。

这就是消息的处理过程，官方的图如下所示：

image

消息转发

由消息的处理过程我们知道，当运行时系统通过接收者和selector去寻找函数指针，直到NSObject类都没有找着的时候，就会跳转到消息转发，如果消息转发之后依然没有处理，也没被吞掉，则程序会执行doesNotRecognizeSelector:，然后crash。在程序crash之前，程序员一共有三次机会进行手动转发，分别是：

  • 使用动态方法解析
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+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)selector

消息转发的第一步，当转发的是实例方法时，运行时给接收者发送上面的消息，询问开发者是否进行方法解析，此处可以通过运行时提供的

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class_addMethod(self,selector,(IMP)autoDictionarySetter,"v@:@");

来动态为类指定的selector添加一个实现，然后并执行返回，随后会把这对selector－IMP缓存起来。如果转发的是类方法时，运行时会调用下面的方法，执行过程一样。如果没有添加实现的话，执行下一步.

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+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel);

如果在声明一个属性之后，我们在impenmention文件中使用了@dynamic关键字，意思是告诉编译器一不要synthesize属性，二不要报错，属性的getter／setter方法我会在消息转发时给你找到。那么这个时候，我们就可以在动态方法解析中为用@dynamic定义的属性添加setter或setter方法。

  • 使用备援接收者(快速转发)
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- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector);

如果第一步没有添加实现的话（即使retune YES也白搭,运行时目前的实现只是用这个返回值来判断是否打印Log），运行时会给开发者第二次机会去用一个备援接收者去接收这个selector，然后把这个接收者返回；如果能找到的话就执行，如果没有找到，或者返回的是nil，运行时会接着执行第三步。

  • 完整的消息转发
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- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation;

这个过程分为两步：

  • 运行时给接收者发送消息 methodSignatureForSelector: 来获取方法签名，方法签名知识一个对方法类型的封装，包含了参数个数，参数类型，返回值类型，是否属于oneway等信息，运行时会根据这个方法签名及aSelector生成一个NSInvocation对象，然后继续朝下传递。如果返回nil，则运行时会给接收者发送doesNotRecognizeSelector:，程序会crash.

  • 运行时根据方法签名及SEL封装成NSInvoation，然后给接收者发送forwardInvocation:，这个方法可以实现得很简单：只需改变调用目标，使消息在新目标上得以调用即可。然而这样实现出来的方法与备援接收者方案所实现的方法等效，所以很少有人采用这么简单的实现方式。比较有用的实现方式为：在触发消息前，先以某种方式改变消息内容，比如追加另外一个参数，或是改换selector，等等。如果实现这个方法而不对NSinvocation作处理的话，这条消息就意味者被吞掉。

实现此方法时，若发现某调用操作不应由本类处理，则需调用超类的同名方法。这样的话，继承体系中的每个类都有机会处理此调用请求，直至NSObject。如果最后调用了NSObject类的方法，那么该方法还会继而调用doesNotRecognizeSelector:以抛出异常，此异常表明选择子最终未能得到处理。

消息转发与多重继承

在第二种情况－使用备援接收者时，就能很明显的看到多重继承的影子，如果要实现的更完整一些，可以参考下面官方给出的范例：

  • 第一步 ：重写自省方法
    因为在程序中需要进行如下的判断：
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if ( [aWarrior respondsToSelector:@selector(negotiate)] )

所以我们要重写respondsToSelector: isKindOfClass: instancesRespondToSelector: conformsToProtocol:等方法

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- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector {

	if ( [super respondsToSelector:aSelector] )
		return YES;
	else {
		/* Here, test whether the aSelector message can     *
		* be forwarded to another object and whether that  *
		* object can respond to it. Return YES if it can.  */
		}
	return NO;
}
  • 第二步 ： 生成方法签名
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- (NSMethodSignature*)methodSignatureForSelector:(SEL)selector {

	NSMethodSignature* signature = [super methodSignatureForSelector:selector];
	if (!signature) {
		signature = [surrogate methodSignatureForSelector:selector];
	}

	return signature;
}
  • 第三步 ： 转发
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- (void)forwardInvocation:(NSInvocation*)invocation {

	[invocation invokeWithTarget:surrogate];

}

总结

运行时对消息的处理可归结为:自动寻找＋三次手动转发

通过运行期的动态方法解析功能，我们可以在需要用到某个方法时再将其加入类中。

对象可以把其无法解读的某些选择子转交给其他对象来处理。

经过上述两步之后，如果还是没办法处理选择子，那就启动完整的消息转发机制。

消息转发的原则是：越早处理越好，因为越往后成本越高。

参考资料

1.Objective-C中的消息与消息转发

2.Objective-C Runtime Programming Guide

3.Understanding the Objective-C Runtime

5.objc_msgSend() Tour Part 1: The Road Map

4.理解Objective－C Runtime

6.《Effective Objective-C 2.0：编写高质量iOS与OS X代码的52个有效方法》

7.深入分析 objc_msgSend

8.stackoverflow上的一篇QA

9.深入Objective-C的动态特性

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