這篇讀書筆記主要介紹了Objective-C底層的一些東西，比如Objective-C對象模型、objc_msgSend消息發送原理、方法混寫(Method Swizzling)和ISA混寫(ISA Swizzling)。

Objective-C對象模型

我們都知道Objective-C是一門動態性語言，這種動態性的核心是objc提供的Objective-C運行時，比如objc_msgSend就是一個核心函數，每次使用[object message]語法都會調用它。我們先來了解下Objective-C對象模型。

Objective-C是一門面向對象的編程語言，每一個對象都是一個類的實例，在Objective-C中，每一個對象都有一個名為isa的指針，指向該對象的類。每一個類描述了一系列它的實例的特點，包括成員變量的列表、成員函數的列表等。每一個對象都可以接受到消息，而對象能夠接受到的消息列表保存在它所對應的類中。

注意：

• 每一個對象都有一個isa指針，這個指針指向的是它的類。

• 類中包括成員變量、成員函數列表等。

在Xcode中打開objc.h文件，會看到如下代碼：

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

通過注釋我們看到objc_object代表一個對象的實例，在對象實例中我們看到了isa指針，驗證了我們剛才說的話。

根據面向對象的設計原則，所有事物都應該是對象，所以在Objective-C中，每一個類實際上也是一個對象，每一個類也有一個名為isa的指針，每一個類也可以接收消息，例如代碼[NSObject alloc]，就是向NSObject這個類發送名為alloc的消息。

在Xcode中打開runtime.h文件，會看到如下代碼：

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
22
#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
22
} OBJC2_UNAVAILABLE;

objc_class代表一個類，從上面代碼中可以看出類中有一個isa指針的。前面說到isa指針會執行它的類，那類中的isa指針指向什麼呢？因為類也是一個對象，所以它也必須是另一個類的實例，這個類就是元類（metaclass），所以isa指針指向的是它的元類。元類保存了類的方法列表。當一個類的方法被調用時，元類會首先查找它本身是否有該類方法的實現，如果沒有，則該元類會向它的父類查找該方法，這樣可以一直找到繼承鏈的頭。

如前面所說元類也是一個對象，那麼元類的isa指針指向誰呢？Objective-C為了設計上的完整，所有的元類的isa指針都會指向一個根元類（root metaclass），根元類的isa指針指向自己，這樣就形成一個閉環。上面說到，一個對象能夠接收的消息列表是保存在它所對應的類中的。在實際編程中，我們幾乎不會遇到向元類發消息的情況，那它的isa指針在實際上很少用到。

再來看看繼承關系，由於類方法的定義是保存在元類中，而方法調用的規則是，如果該類沒有一個方法的實現，則向它的父類繼續查找。所以，為了保證父類的類方法在子類中可以被調用，所有子類的元類都會繼承父類的元類，簡單來說就是類對象和元類對象有著同樣的繼承關系。

最後用一張圖對對象模型做一個總結，如下圖：

1-1 對象模型.png

objc_msgSend

Objective-C運行時的核心就在於消息分派器objc_msgSend，消息分派器把選擇器映射為函數指針，並調用被引用的函數。 要想理解objc_msgSend的背後原理，先來理解下NSInvocation這個類。

NSInvocation是命令模式的一種傳統實現，它把一個目標、一個選擇器、一個方法簽名和所有的參數都塞進一個對象裡，這個對象可以先存儲起來，以備將來調用。當NSInvocation被調用時，它會發送信息，Objective-C運行時會找到正確的方法實現來執行。我們通過一個例子來理解下NSInvocation的作用，比如[NSObject alloc]，此時會發送一個alloc消息，這條消息都包含什麼內容呢？它怎麼找到alloc的實現方法呢？這些都是通過NSInvocation來完成的，它包含了消息要傳遞的內容，也告訴了該怎麼找到對應的方法實現。

解釋一下什麼是方法實現？一個方法實現(IMP)是一個指向具有如下簽名的C函數的函數指針，注意是指針。

id function(id self, SEL _cmd, ...)

NSInvocation包含了一個目標和選擇器，目標是一個可接受的對象，選擇器則是被發送的消息。比如[NSObject alloc]，目標就是NSObject，選擇器就是alloc。一個選擇器大致是一個方法的名稱，之所以說是大致是因為選擇器不必精確映射到方法。比如[NSString length]和[NSData length]會映射到不同方法的實現，但他們擁有相同的選擇器。

NSInvocation還包含一個方法簽名(NSMethodSignature)，它封裝了一個方法的返回類型和參數類型，記住它不包括方法名稱，只有返回類型和參數類型。你可以手動創建一個方法簽名，如下：

NSMethodSignature *sig = [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"@@:*"];

但是應該盡可能少使用signatureWithObjCTypes:方法，獲得方法簽名常用的方法是為它請求一個類或實例，比如可以使用methodSignatureForSelector:方法從實例中請求實例方法簽名，或者從類中請求類方法簽名。也可以使用instanceMethodSignatureForSelector:方法從一個類中獲取實例方法簽名。兩個方法有點繞口，我們通過一個例子來看下區別：

SEL initSEL = @selector(init);
SEL allocSEL = @selector(alloc);

// 從NSString類中獲取實例方法(init)的方法簽名
NSMethodSignature *initSig = [NSString instanceMethodSignatureForSelector:initSEL];
// 從test實例中獲取實例方法(init)的方法簽名
initSig = [@"test" methodSignatureForSelector:initSEL];
// 從NSString類中獲取類方法簽名
NSMethodSignature *allocSig = [NSString methodSignatureForSelector:allocSEL];

最後，NSInvocation還包含了所有的參數。至此，對於[NSString length]和[NSData length]就可以通過NSInvocation對象包含的信息，找到它們分別對應的方法實現。我們來看一個具體的例子，如下：

NSMutableSet *set = [NSMutableSet set];
NSString *stuff = @"stuff";
SEL selector = @selector(addObject:);
NSMethodSignature *sig = [set methodSignatureForSelector:selector];
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NSInvocation *invocation = [NSInvocation invocationWithMethodSignature:sig];
[invocation setTarget:set];
[invocation setSelector:selector];
[invocation setArgument:&stuff atIndex:2];
[invocation invoke];
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NSLog(@"set is : %@", set);

注意，第一個參數被置於索引2處，索引0是目標(self)，索引1是選擇器(_cmd)，NSInvocation會自動設置它們。另外，必須把參數指針傳遞給參數，而不能傳遞參數本身。

接下來重點要介紹下消息傳遞是如何工作的？

在Objective-C中調用方法最終會翻譯成調用方法實現的函數指針，並傳遞給這個方法實現一個對象指針、一個選擇器和一組函數參數。每個Objective-C消息表達式都會轉化為對objc_msgSend的調用，看下objc_msgSend的工作方式：

1. 檢查接受對象是否為nil，如果是nil，調用nil處理程序。

2. 檢查緩存中是不是已經有方法實現了，有的話，直接調用。

3. 比較請求的選擇器和類中定義的選擇器，如果找到了，調用方法實現。

4.比較請求的選擇器和父類中定義的選擇器，然後是父類的父類，以此類推，如果找到了選擇器，調用方法實現。

5. 調用resolveInstanceMethod:(或resolveClassMethod)。如果它返回YES，那麼重新開始。這一次對象會響應這個選擇器，一般是因為它已經調用過class_addMethod。

6. 調用forwardingTargetForSelector:，如果返回非nil，那就把消息發送到返回的對象上，這裡不要返回self，否則會形成死循環的。

7.調用methodSignatureForSelector:，如果返回非nil，創建一個NSInvocation並傳給forwardInvocation:。

8. 調用doesNotRecognizeSelector:，默認的實現是拋出異常。

先看下第5步，首先可以想到的就是用resolveInstanceMethod:和resolveClassMethod:在運行時提供實現，這通常是@dynamic合成屬性的處理方式。簡單來說，就是需要自己實現屬性的getter和setter方法，通過resolveInstanceMethod:方法來把setter方法和getter方法和屬性綁定在一起。

如果第5步返回NO的話，系統接著會首先嘗試一次快速轉發，也就是調用forwardingTargetForSelector:，看其能否返回一個對象，如果有對象返回，就轉發給返回的對象。快速轉發的原理其實就是先從緩存裡找下是否存在對應的選擇器。

如果快速轉發返回nil的話，接下來就進行普通的轉發，調用forwardInvocation進行普通的轉發。

objc_msgSend還有幾個相關的函數：objc_msgSend_fpret、objc_msgSendSuper、objc_msgSend_stret、objc_msgSendSuper_stret。SendSuper格式的函數很明顯是把消息發送給父類，而帶stret的在返回結構體時處理大部分情況。在Intel處理器上返回浮點數時，帶fpret的函數處理大部分情況。

方法混寫(Method Swizzling)與ISA混寫(Isa Swizzling)

在Objective-C中，混寫（Swizzling）是指透明地把一個東西換成另一個，我們可以利用Objective-C中的運行時來實現混寫。我們先看下方法混寫，Objective-C提供了以下API來動態替換類方法或實例方法的實現：

• class_replaceMethod替換類方法的定義。

• method_exchangeImplementations交換兩個方法的實現。

• method_setImplementation設置一個方法的實現。

我們來看下三者的區別：

• class_replaceMethod，當需要替換的方法有可能不存在時，可以考慮使用該方法。

• method_exchangeImplementations，當需要交換兩個方法的實現時使用。

• method_setImplementation是最簡單的用法，當僅僅需要為一個方法設置其實現方式時使用。

系統中提供的KVO使用到了isa混寫，具體是怎麼實現的呢？當你觀察一個對象時，一個新的類會被自動創建，這個新類繼承自該對象的原本的類，並且重寫了被觀察屬性setter方法。重寫setter方法會負責在調用原setter方法之前和之後，通知所有觀察對象：值的更改。最後通過isa混寫，把這個對象的isa指針指向這個新創建的子類，對象就神奇的變成了新創建的子類的實例。

注意一點：把isa指針指向新創建的子類，被觀察的對象就變成了新創建子類的對象實例，這是由於isa指針永遠指向其對應的類。用一張圖來說明下：

1-2 KVO.png

鍵值觀察通知依賴於NSObject的兩個方法：willChangeValueForKey:和didChangeValueForKey:。在一個被觀察屬性發生改變之前，willChangeValueForKey:一定會被調用，這就會記錄舊的值。而當改變之後，didChangeValueForKey:會被調用，繼而obserValueForKey:ofObject:change:context:也會被調用。可以手動實現這些調用，但很少有人這麼做。一般我們希望能控制回調的調用時機時才會這麼做。

使用KVO的一個明顯的優勢就是零開銷觀察的優勢，如果給定的實例沒有觀察者，那麼KVO不會有任何消耗，因為根本沒有KVO代碼。而即使沒有觀察者，對於委托方法和NSNotification還得工作。

參考文章：

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