授權轉載，作者：bestswifter

絕大多數 iOS 開發者在學習 runtime 時都閱讀過 runtime.h 文件中的這段代碼:

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;

可以看到其中保存了類的實例變量，方法列表等信息。

不知道有多少讀者思考過 OBJC2_UNAVAILABLE 意味著什麼。其實早在 2006 年，蘋果在 WWDC 大會上就發布了 Objective-C 2.0，其中的改動包括 Max OS X 平台上的垃圾回收機制(現已廢棄)，runtime 性能優化等。

這意味著上述代碼，以及任何帶有 OBJC2_UNAVAILABLE 標記的內容，都已經在 2006 年就永遠的告別了我們，只停留在歷史的文檔中。

Category 的原理

雖然上述代碼已經過時，但仍具備一定的參考意義，比如 methodLists 作為一個二級指針，其中每個元素都是一個數組，數組中的每個元素則是一個方法。

接下來就介紹一下 category 的工作原理，在美團的技術博客 深入理解Objective-C：Category 中已經有了非常詳細的解釋，然而可能由於時間問題，其中的不少內容已經過時，我根據目前最新的版本(objc-680) 做一些簡單的分析，為了便於閱讀，在不影響代碼邏輯的前提下有可能刪除部分無關緊要的內容。

概述

首先 runtime 依賴於 dyld 動態加載，在 objc-os.mm 文件中可以找到入口，它的調用棧簡單整理如下:

void _objc_init(void)
└──const char *map_2_images(...)
    └──const char *map_images_nolock(...)
        └──void _read_images(header_info **hList, uint32_t hCount)

以上四個方法可以理解為 runtime 的初始化過程，我們暫且不深究。在 _read_images 方法中有如下代碼:

if (cat->classMethods  ||  cat->protocols
    /* ||  cat->classProperties */) {
    addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi);
    if (cls->ISA()->isRealized()) {
        remethodizeClass(cls->ISA());
    }
}

根據注釋可見蘋果曾經計劃利用 category 來添加屬性。在 addUnattachedCategoryForClass 方法中會找到當前類的所有 category，然後在 remethodizeClass 真正的去做處理。不過到目前為止還沒有接觸到相關的 category 處理，我們繼續沿著調用棧向下走:

void _read_images(header_info **hList, uint32_t hCount)
└──static void remethodizeClass(Class cls)
    └──static void attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches)

這裡的 attachCategories 就是處理 category 的核心所在，不過在閱讀這段代碼之前，我們有必要先熟悉一下相關的數據結構。

Category 相關的數據結構

首先來了解一下一個 Category 是如何存儲的，在 objc-runtime-new.h 中可以看到如下定義，我只列出了其中成員變量:

struct category_t {
    const char *name;
    classref_t cls;
    struct method_list_t *instanceMethods;
    struct method_list_t *classMethods;
    struct protocol_list_t *protocols;
    struct property_list_t *instanceProperties;
};

可見一個 category 持有了一個 method_list_t 類型的數組，method_list_t 又繼承自 entsize_list_tt，這是一種泛型容器:

struct method_list_t : entsize_list_tt {
    // 成員變量和方法
};
template 
struct entsize_list_tt {
    uint32_t entsizeAndFlags;
    uint32_t count;
    Element first;
};

這裡的 entsize_list_tt 可以理解為一個容器，擁有自己的迭代器用於遍歷所有元素。 Element 表示元素類型，List 用於指定容器類型，最後一個參數為標記位。

雖然這段代碼實現比較復雜，但仍可了解到 method_list_t 是一個存儲 method_t 類型元素的容器。method_t 結構體的定義如下:

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
};

最後，我們還有一個結構體 category_list 用來存儲所有的 category，它的定義如下:

struct locstamped_category_list_t {
    uint32_t count;
    locstamped_category_t list[0];
};
struct locstamped_category_t {
    category_t *cat;
    struct header_info *hi;
};
typedef locstamped_category_list_t category_list;

除了標記存儲的 category 的數量外，locstamped_category_list_t 結構體還聲明了一個長度為零的數組，這其實是 C99 中的一種寫法，允許我們在運行期動態的申請內存。

以上就是相關的數據結構，只要了解到這個程度就可以繼續讀源碼了。

處理 Category

對 Category 中方法的解析並不復雜，首先來看一下 attachCategories 的簡化版代碼:

static void attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches) {
    if (!cats) return;
    bool isMeta = cls->isMetaClass();
    method_list_t **mlists = (method_list_t **)malloc(cats->count * sizeof(*mlists));
    // Count backwards through cats to get newest categories first
    int mcount = 0;
    int i = cats->count;
    while (i--) {
        auto& entry = cats->list[i];
        method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
        if (mlist) {
            mlists[mcount++] = mlist;
        }
    }
    auto rw = cls->data();
    prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle);
    rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
    free(mlists);
    if (flush_caches  &&  mcount > 0) flushCaches(cls);
}

首先，通過 while 循環，我們遍歷所有的 category，也就是參數 cats 中的 list 屬性。對於每一個 category，得到它的方法列表 mlist 並存入 mlists 中。

換句話說，我們將所有 category 中的方法拼接到了一個大的二維數組中，數組的每一個元素都是裝有一個 category 所有方法的容器。這句話比較繞，但你可以把 mlists 理解為文章開頭所說，舊版本的 objc_method_list **methodLists。

在 while 循環外，我們得到了拼接成的方法，此時需要與類原來的方法合並:

auto rw = cls->data();
rw->methods.attachLists(mlists, mcount);

這兩行代碼讀不懂是必然的，因為在 Objective-C 2.0 時代，對象的內存布局已經發生了一些變化。我們需要先了解對象的布局模型才能理解這段代碼。

Objective-C 2.0 對象布局模型

• objc_class

相信讀到這裡的大部分讀者都學習過文章開頭所說的對象布局模型，因此在這一部分，我們采用類比的方法，來看看 Objective-C 2.0 下發生了哪些改變。

首先，Class 和 id 指針的定義並沒有發生改變，他們一個指向類對應的結構體，一個指向對象對應的結構體:

// objc.h
typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

比較有意思的一點是，objc_class 結構體是繼承自 objc_object 的:

struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
struct objc_class : objc_object {
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
    class_rw_t *data() {
        return bits.data();
    }
};

這一點也很容易理解，早在 Objective-C 1.0 時代，我們就知道一個對象的結構體只有 isa 指針，指向它所屬的類。而類的結構體也有 isa 指針指向它的元類。因此讓類結構體繼承自對象結構體就很容易理解了。

可見 Objective-C 1.0 的布局模型中，cache 和 super_class 被原封不動的移過來了，而剩下的屬性則似乎消失不見。取而代之的是一個 bits 屬性，以及 data() 方法，這個方法調用的其實是 bits 屬性的 data() 方法，並返回了一個 class_rw_t 類型的結構體指針。

• class_data_bits_t

以下是簡化版 class_data_bits_t 結構體的定義:

struct class_data_bits_t {
    uintptr_t bits;
public:
    class_rw_t* data() {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
}

可見這個結構體只有一個 64 位的 bits 成員，存儲了一個指向 class_rw_t 結構體的指針和三個標志位。它實際上由三部分組成。首先由於 Mac OS X 只使用 47 位內存地址，所以前 17 位空余出來，提供給 retain/release 和 alloc/dealloc 方法使用，做一些優化。其次，由於內存對齊，指針地址的後三位都是 0，因此可以用來做標志位:

// class is a Swift class
#define FAST_IS_SWIFT           (1UL<<0)
// class or superclass has default retain/release/autorelease/retainCount/
//   _tryRetain/_isDeallocating/retainWeakReference/allowsWeakReference
#define FAST_HAS_DEFAULT_RR     (1UL<<1)
// class's instances requires raw isa
#define FAST_REQUIRES_RAW_ISA   (1UL<<2)
// data pointer
#define FAST_DATA_MASK          0x00007ffffffffff8UL

如果計算一下就會發現，FAST_DATA_MASK 這個 16 進制常量的二進制表示恰好後三位為0，且長度為47位: 11111111111111111111111111111111111111111111000，我們通過這個掩碼做按位與運算即可取出正確的指針地址。

引用 Draveness 在 深入解析 Objective-C 中方法的結構 中的圖片做一個總結:

bits 示意圖

• class_rw_t

bits 中包含了一個指向 class_rw_t 結構體的指針，它的定義如下:

struct class_rw_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t version;
    const class_ro_t *ro;
    method_array_t methods;
    property_array_t properties;
    protocol_array_t protocols;
}

注意到有一個名字很類似的結構體 class_ro_t，這裡的 'rw' 和 ro' 分別表示 'readwrite' 和 'readonly'。因為  class_ro_t 存儲了一些由編譯器生成的常量。

These are emitted by the compiler and are part of the ABI.

正是由於 class_ro_t 中的兩個屬性 instanceStart 和 instanceSize 的存在，保證了 Objective-C2.0 的 ABI 穩定性。因為即使父類增加方法，子類也可以在運行時重新計算 ivar 的偏移量，從而避免重新編譯。

關於 ABI 穩定性的問題，本文不做贅述，讀者可以參考 Non Fragile ivars。

如果閱讀 class_ro_t 結構體的定義就會發現，舊版本實現中類結構體中的大部分成員變量現在都定義在 class_ro_t 和 class_rw_t 這兩個結構體中了。感興趣的讀者可以自行對比，本文不再贅述。

class_rw_t 結構體中還有一個 methods 成員變量，它的類型是 method_array_t，繼承自 list_array_tt。

list_array_tt 是一個泛型結構體，用於存儲一些元數據，而它實際上是元數據的二維數組:

template {
    struct array_t {
        uint32_t count;
        List* lists[0];
    };
}
class method_array_t : public list_array_tt

其中 Element 表示元數據的類型，比如 method_t，而 List 則表示用於存儲元數據的一維數組，比如 method_list_t。

list_array_tt 有三種狀態:

• 自身為空，可以類比為 [[]]

• 它只有一個指針，指向一個元數據的集合，可以類比為 [[1, 2]]

• 它有多個指針，指向多個元數據的集合，可以類比為 [[1, 2], [3, 4]]

當一個類剛創建時，它可能處於狀態 1 或 2，但如果使用 class_addMethod 或者 category 來添加方法，就會進入狀態 3，而且一旦進入狀態 3 就再也不可能回到其他狀態，即使新增的方法後來又被移除掉。

方法合並

掌握了這些 runtime 的基礎只是以後就可以繼續鑽研剩下的 category 的代碼了:

auto rw = cls->data();
rw->methods.attachLists(mlists, mcount);

這是剛剛卡住的地方，現在來看，rw 是一個 class_rw_t 類型的結構體指針。根據 runtime 中的數據結構，它有一個 methods 結構體成員，並從父類繼承了 attachLists 方法，用來合並 category 中的方法:

void attachLists(List* const * addedLists, uint32_t addedCount) {
    if (addedCount == 0) return;
    uint32_t oldCount = array()->count;
    uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
    setArray((array_t *)realloc(array(), array_t::byteSize(newCount)));
    array()->count = newCount;
    memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists, oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
    memcpy(array()->lists, addedLists, addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
}

這段代碼很簡單，其實就是先調用 realloc() 函數將原來的空間拓展，然後把原來的數組復制到後面，最後再把新數組復制到前面。

在實際代碼中，比上面略復雜一些。因為為了提高性能，蘋果做了一些優化，比如當 List 處於第二種狀態(只有一個指針，指向一個元數據的集合)時，其實並不需要在原地擴容空間，而是只要重新申請一塊內存，並將最後一個位置留給原來的集合即可。

這樣只多花費了很少的內存空間，也就是原來二維數組占用的內存空間，但是 malloc() 的性能優勢會更加明顯，這其實是一個空間換時間的權衡問題。

需要注意的是，無論執行哪種邏輯，參數列表中的方法都會被添加到二維數組的前面。而我們簡單的看一下 runtime 在查找方法時的邏輯:

static method_t *getMethodNoSuper_nolock(Class cls, SEL sel){
    for (auto mlists = cls->data()->methods.beginLists(),
              end = cls->data()->methods.endLists();
         mlists != end;
         ++mlists) {
        method_t *m = search_method_list(*mlists, sel);
        if (m) return m;
    }
    return nil;
}
static method_t *search_method_list(const method_list_t *mlist, SEL sel) {
    for (auto& meth : *mlist) {
        if (meth.name == sel) return &meth;
    }
}

可見搜索的過程是按照從前向後的順序進行的，一旦找到了就會停止循環。因此 category 中定義的同名方法不會替換類中原有的方法，但是對原方法的調用實際上會調用 category 中的方法。

總結

讀完本文後，你應該對以下內容有比較深刻的理解，排名不分先後:

定義在 runtime.h 中的數據結構，如果有 OBJC2_UNAVAILABLE 標記則表示已經廢棄。

Objective-C 2.0 中，類結構體的結構層次: objc_class -> class_data_bits_t -> class_rw_t -> method_array_t。

class_ro_t 結構體的作用，與 class_rw_t 的區別，以及和 ABI 穩定性的關系。

category 解析過程的調用棧以及基本的流程。

method_array_t 為什麼要設計成一種類似於二維數組的數據結構，以及它的三種狀態之間的關系。

參考資料

Objective-C Runtime

深入解析 ObjC 中方法的結構

從源代碼看 ObjC 中消息的發送

深入理解Objective-C：Category

Objc與C（C++）之親緣關系（一） Class

Whats is methodLists attribute of the structure objc_class for?