Objective-C 运行时以及 Swift 的动态性

前言

1、Objective-C 是一门基于运行时的编程语言，

这意味着所有方法、变量、类之间的link，都会推迟到应用实际运行的最后一刻才会建立。
这将给开发人员极高的灵活性，因为我们可以修改这些link。

2、而不同的是，Swift 绝大多数时候是一门面向编译时的语言。

因此在 Swift 当中，灵活性受到了限制，不过您会因此得到更多的安全性。

我们通常所说的 Objective-C 「动态性」，往往都是指 KVO。虽然还有其余的函数，但是这些是最常见、最常用的。这也就是人们所说的，Swift 缺失的部分。

而 KVO是Foundation框架基于运行时实现的一个特性。因此本文先从Objective-C 的运行时开始描述。

Objective-C 的运行时

本质上是一个库。它负责了 “Objective” 这个部分，

#import <objc/runtime.h>

它主要由 C 和汇编编写而成，其实现了诸如类、对象、方法调度、协议等等这些东西。它是完全开源的，并且开源了很长一段时间了。

对象在 runtime.h 当中是这样定义的：

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_object {
    Class isa;
};

对象只与一个类建立引用关联，也就是这个 isa 的意思所在。

类的定义

struct objc_class {
    Class isa;
    Class super_class;
    const char *name;
    long version;
    long info;
    long instance_size;
    struct objc_ivar_list *ivars;
    struct objc_method_list **methodLists;
    struct objc_cache *cache;
    struct objc_protocol_list *protocols;
};

类当中同样有 isa 这个值。除了 NSObject 这个类之外，super_class 的值永远不会为 nil，因为 Objective-C 当中的其余类都是以某种方式继承自 NSObject 的.

更多的应该是关注变量列表 (ivars)、方法列表 (methodLists) 和这个协议列表 (protocols)。

这些就是我们能在运行时修改和读取的。可以看到，对象其实本质上是一个非常简单的结构体，类同样也是。我们可以借助运行时函数，从而在运行时动态创建类。

Creates a new class and metaclass.

BJC_EXPORT Class _Nullable
objc_allocateClassPair(Class _Nullable superclass, const char * _Nonnull name, 
                       size_t extraBytes) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

Class myClass =
objc_allocateClassPair([NSObject
class], "MyClass", 0);

// 在这里添加变量、方法和协议

objc_registerClassPair(myClass);
// 当类注册之后，变量列表将会被锁定

[[myClass alloc] init];

所创建的这个类和其余的 Objective-C 类毫无区别.

利用 Objective-C 运行时函数：allocateClassPair 创建Class。我们为其提供一个 isa，在本例当中我们提供了 NSObject，然后为其命名。第三个参数则是额外字节的定义，通常我们都直接赋值 0 即可。随后我们就可以添加变量、方法以及协议了，之后就注册这个 ClassPair。注册之后，我们就无法修改变量列表了，其余的内容仍然可以修改。

「内省 (introspection)」机制：判别这个类能执行何种操作

[myObject isMemberOfClass:NSObject.class];

[myObject respondsToSelector:@selector(doStuff:)];

// isa == class

class_respondsToSelector(myObject.class, @selector(doStuff:));

在运行时层面，isMemberOfClass 对比两者的 isa 是否相同。
respondsToSelector" 则封装了一个 Objective-C 运行时函数：

respondsToSelector，其接受 Selector 和类为参数。

BJC_EXPORT BOOL
class_respondsToSelector(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull sel) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

XCTest 的最简单版本：借助 Objective-C 的运行时机制实现

在编写 XCTestCase 的时候，需要完成 setUp 和 tearDown 的设定，随后才能编写相关的 test 函数。
当测试运行的时候，系统会自行遍历所有的测试函数，并自动运行。

unsigned int count;
Method *methods = class_copyMethodList(myObject.class,
&count);
//Ivar *list = class_copyIvarList(myObject.class,&count);

for(unsigned i = 0; i < count; i++) {
        SEL selector = method_getName(methods[i]);
        NSString *selectorString =
NSStringFromSelector(selector);
    if ([selectorString containsString:@"test"]) {
        [myObject performSelector:selector];
    }
}
free(methods);

变量和方法是由什么组成

struct objc_ivar {
    char *ivar_name;
    char *ivar_type;
    int ivar_offset;
}

struct objc_method {
    SEL method_name;
    char *method_types;
    IMP method_imp;
}

变量的组成包含了变量类型和变量名称。偏移量 (offset) 则是内存管理方面的内容。
方法还用编码字符串来表示其类型。之后便是方法的实现，它使用了一种特定的表示方式，
在运行时向对象当中添加方法

Method doStuff = class_getInstanceMethod(self.class, @selector(doStuff));

IMP doStuffImplementation = method_getImplementation(doStuff);

const char *types = method_getTypeEncoding(doStuff); //“v@:@"

class_addMethod(myClass.class, @selector(doStuff:), doStuffImplementation, types);

这个例子具体的方法实现部分我们取了个巧，因为我们使用了既有的 doStuff 方法，
因此能够很简单地获取其方法实现和方法类型。
不过我们还可以用其他方法来完成：交换方法的实现。可以使用运行时当中最著名的动态特性：方法混淆 (swizzling)。

objc_msgSend

我们可以使用 [self doStuff] 或者 [self performSelector:@selector(doStuff)] 来进行调用，实际上在运行时级别，它们都是借助 objc_msgSend 向对象发送了一个消息。

[self doStuff];
[self performSelector:@selector(doStuff)];

objc_msgSend(self, @selector(message));

与类别Category相比运行时的setAssociatedObject、getAssociatedObject好处：向既有的类当中添加存储属性

扩展一个不是自己创建的类，想要向其中添加函数。Swift 的扩展与之非常相似。
类别的一个问题便在于，它无法添加存储属性。您可以添加一个计算属性，但是存储属性是无法添加的。

运行时的另一个特性便是：
我们可以借助 setAssociatedObject 和 getAssociatedObject 这两个函数，向既有的类当中添加存储属性。

@implementation NSObject (AssociatedObject)
@dynamic associatedObject;

- (void)setAssociatedObject:(id)object {
    objc_setAssociatedObject(self,
@selector(associatedObject), object,
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}

- (id)associatedObject {
    return objc_getAssociatedObject(self,
@selector(associatedObject));
}

方法转发：崩溃之前会预留几个步骤

但是如果调用方法所在的对象为 nil 的时候，我们就会得到一个异常，应用便会崩溃。但事实证明，在崩溃之前会预留几个步骤，从而允许我们对某个不存在的函数进行一些操作。

// 1
+(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel{
    // 添加实例方法并返回 YES 的一次机会，它随后会再次尝试发送消息
}

// 2
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector{
    // 返回可以处理 Selector 的对象
}

// 3
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector{
    // 您需要实现它来创建 NSInvocation
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation {
    // 在您所选择的目标上调用 Selector
    [invocation invokeWithTarget:target];
}

ps:试图桥接两个不同的框架的时候，这个功能便非常有用

第一步

当调用了某个不存在的方法时，运行时首先会调用一个名为 resolveInstanceMethod 的类方法，
如果所调用的方法是类方法的话，则为调用 resolveClassMethod。

这时候我们便有机会来添加方法了，即上面提到的利用运行时动态添加方法

第2步

如果不想创建新方法的话，第一步返回了NO，
还有 forwardingTargetForSelector。可以直接返回需要调用方法的目标对象即可，之后这个对象就会调用 Selector。

第三步骤：forwardInvocation

略为复杂的 forwardInvocation。
如果您需要这么做，那么还需要实现 methodSignatureForSelector。
所有的调用过程都被封装到 NSInvocation 对象当中，之后你便可以使用特定的对象进行调用了。

swizzling

交换方法的实现

+ (void)load {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        Class class = [self class];

        SEL originalSelector = @selector(doSomething);
        SEL swizzledSelector = @selector(mo_doSomething);

        Method originalMethod = class_getInstanceMethod(class,
originalSelector);
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(class,
swizzledSelector);

        BOOL didAddMethod = class_addMethod(class, originalSelector,
method_getImplementation(swizzledMethod),
method_getTypeEncoding(swizzledMethod));

        if (didAddMethod) {
            class_replaceMethod(class,
                                swizzledSelector,
                                method_getImplementation(originalMethod),
                                method_getTypeEncoding(originalMethod));
        } else {
            method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
        }
    });
}

2种实现方式：
1、class_addMethod originalSelector 的时候使用swizzledMethod的IMP、TYP
之后进行class_replaceMethod，来达到交换的目的。
即先换掉originalSelector的IMP，再换掉swizzledMethod的IMP，达到exchange 的目的

2、直接使用exchange 方法

小结

当类加载之后，会调用一个名为 load 的类函数。由于我们只打算混淆一次，因此我们需要使用 dispatch_once。接着我们便可以得到该方法，然后使用 class_replaceMethod 或者 method_exchangeImplementations 来替换方法。
之所以想要混淆，是因为它可以用于日志记录和 Mock 测试。例如上报用户打开的界面所在VC的名称，就可以使用swizzling 统一处理

运行时层面的上一层，Foundation 框架

Foundation 框架实现了基于运行时的一个特性：
键值编码 (key-value-coding, KVC) 以及键值观察 (key-value observing, KVO)。

KVC 和 KVO 允许我们将 UI 和数据进行绑定。这也是 Rx 以及其他响应式框架实现的基础。

ps:而且MVVM的实现又可以借助“V-VM”第三方绑定框架进行实现

KVC 的工作方式

@property (nonatomic, strong) NSNumber *number;

[myClass valueForKey:@"number"];
[myClass setValue:@(4) forKey:@"number"];

可以将属性名称作为键，来获取属性值或者设置属性值.

KVO，可以对状态的变化进行注册

[myClass addObserver:self
    forKeyPath:@"number"
    options:NSKeyValueObservingOptionInitial | NSKeyValueObservingOptionNew
    context:nil];

- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath
                      ofObject:(id)object
                        change:(NSDictionary<NSKeyValueChangeKey,id> *)change
                       context:(void *)context{
    // Respond to observation.
}

在观察的值发生变更之后，KVO 会调用此方法立即通知观察者。通过这个方法，我们便可以按需更新 UI。

我们通常所说的 Objective-C 「动态性」，往往都是指 KVO。虽然还有其余的函数，但是这些是最常见、最常用的。这也就是人们所说的，Swift 缺失的部分。

第二大内容：Swift

Swift 是一种强类型语言。类型静态，也就是说 Swift 的默认类型是非常安全的。
如果需要的话，不安全类型也是存在的，Swift 中的动态性可以通过 Objective-C 运行时来获得。

但是 Swift 开源并迁移到 Linux 之后，由于 Linux 上的 Swift 并不提供 Objective-C 运行时，事情就。。

@objc 和 @dynamic

Swift 当中存在有这两个修饰符 @objc 和 @dynamic，此外我们同样还可以访问 NSObject。@objc 将您的 Swift API 暴露给 Objective-C 运行时，但是它仍然不能保证编译器会尝试对其进行优化。

如果您真的想使用动态功能的话，就需要使用 @dynamic。（一旦您使用了 @dynamic 修饰符之后，就不需要添加 @objc 了，因为它已经隐含在其中。）

Swift 当中的动态特性

方法转发

// 1
override class func resolveInstanceMethod(_ sel: Selector!)
-> Bool {
    // 添加实例方法并返回 true 的一次机会，它随后会再次尝试发送消息
}

// 2
override func forwardingTarget(for aSelector: Selector!) ->
Any? {
    // 返回可以处理 Selector 的对象
}

// 3 - Swift 不支持 NSInvocation

方法混淆

load 在 Swift 不再会被调用，因此我们需要在 initialize 中进行混淆。
在 Objective-C 当中，我们使用 dispatch_once，但是自 Swift 3 之后，dispatch_once 便不复存在于 Swift 当中了。事情变得略为复杂。

内省

if self is MyClass {
    // YAY
}

let myString = "myString";
let mirror = Mirror(reflecting: myString)
print(mirror.subjectType) // “String"
let string = String(reflecting: type(of:
myString)) // Swift.String

// No native method introspection

is 替代了 isMemberOfClass

小结
无法自动遍历所有的函数

如果打算为 Linux 编写单元测试的时候，就无法自动遍历所有的函数。您必须实现 static var allTests，然后手动列出所有的测试函数。这很。。。。

KVO 和 KVC 在 Swift 被极大地削弱了。

KVO 的魅力在于，您可以在不是自己所创建的类当中使用它，也可以只对您想要监听变化的类使用。所观察的对象必须要继承自 NSObject，并且使用一个 Objective-C 类型。所观察的变量必须要生命为 dynamic。导致你必须要对想要观察的事务了如指掌。
只能使用基于协议来观察对象，语言自身是没有原生的解决方案的。或者使用一些符合 Swift 风格的方法来暴露一些运行时函数的 ObjectiveKit 的开源库