【iOS面试粮食】Runtime—消息传递和转发机制、Method Swizzling

本文章将记录Objective-C中消息传递和转发机制、Method Swizzling的相关资料，如有错误欢迎指出~

Objective-C 本质上是一种基于 C 语言的领域特定语言。C 语言是一门静态语言，其在编译时决定调用哪个函数。而 Objective-C 则是一门动态语言，其在编译时不能决定最终执行时调用哪个函数（Objective-C 中函数调用称为消息传递）。Objective-C 的这种动态绑定机制正是通过 runtime 这样一个中间层实现的。

消息传递（方法调用）

在 Objective-C 中，消息直到运行时才绑定到方法实现上。编译器会将消息表达式转化为一个消息函数的调用。

OC中的消息表达式如下（方法调用）

id returnValue = [someObject messageName:parameter];

编译器看到这条消息会转换成一条标准的 C 语言函数调用

id returnValue = objc_msgSend(someObject, @selector(messageName:), parameter);

我们可以看到转换中，使用到了objc_msgSend 函数，这个函数将消息接收者和方法名作为主要参数，如下所示：

objc_msgSend(receiver, selector)                    // 不带参数
objc_msgSend(receiver, selector, arg1, arg2,...)    // 带参数

objc_msgSend 通过以下几个步骤实现了动态绑定机制。

首先，获取 selector 指向的方法实现。由于相同的方法可能在不同的类中有着不同的实现，因此根据 receiver 所属的类进行判断。
其次，传递 receiver 对象、方法指定的参数来调用方法实现。
最后，返回方法实现的返回值。

消息传递的关键在于【iOS面试粮食】Runtime—实例对象、类对象、元类对象记录过的 objc_class 结构体，其有两个关键的字段：

isa：指向父类的指针
methodLists: 类的方法分发表（dispatch table）

当创建一个新对象时，先为其分配内存，并初始化其成员变量。其中 isa 指针也会被初始化，让对象可以访问类及类的继承链。

下图所示为消息传递过程的示意图。

【iOS面试粮食】Runtime—消息传递和转发机制、Method Swizzling

当消息传递给一个对象时，首先从运行时系统缓存 objc_cache 中进行查找。如果找到，则执行。否则，继续执行下面步骤。
objc_msgSend 通过对象的 isa 指针获取到类的结构体，然后在方法分发表 methodLists 中查找方法的 selector。如果未找到，将沿着类的 isa 找到其父类，并在父类的分发表 methodLists 中继续查找。
以此类推，一直沿着类的继承链追溯至 NSObject 类。一旦找到 selector，传入相应的参数来执行方法的具体实现，并将该方法加入缓存 objc_cache 。如果最后仍然没有找到 selector，则会进入消息转发流程

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消息转发

当一个对象能接收一个消息时，会走正常的消息传递流程。当一个对象无法接收某一消息时，会发生什么呢？

默认情况下，如果以 [object message] 的形式调用方法，如果 object 无法响应 message 消息时，编译器会报错。
如果是以 performSeletor: 的形式调用方法，则需要等到运行时才能确定 object 是否能接收 message 消息。如果不能，则程序崩溃。

对于后者，当不确定一个对象是否能接收某个消息时，可以调用 respondsToSelector: 来进行判断。

if ([self respondsToSelector:@selector(method)]) {
    [self performSelector:@selector(method)];
}

事实上，当一个对象无法接收某一消息时，就会启动所谓“消息转发（message forwarding）”机制。通过消息转发机制，我们可以告诉对象如何处理未知的消息。

消息转发机制大致可分为三个步骤：

动态方法解析（Dynamic Method Resolution）
备用接收者
完整消息转发

下图所示为消息转发过程的示意图。

动态方法解析

这是整个消息转发流程的第一个阶段，如果在收到无法响应的消息后，会调用所属类的方法:

//实例对象
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)selector
//类对象
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)selector

其中参数selector为未处理的方法。

返回值@return表示能否新增一个方法来处理，一般使用@dynamic属性来实现：

/************** 使用 resolveInstanceMethod 实现 @dynamic 属性 **************/
id autoDictionaryGetter(id self, SEL _cmd);
void autoDictionarySetter(id self, SEL _cmd, id value);
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)selector
{
    NSString *selectorString = NSStringFromSelector(selector);
    if (/* selector is from a @dynamic property */)
    {
        if ([selectorString hasPrefix:@"set"])
        {
            // 添加 setter 方法
            class_addMethod(self, selector, (IMP)autoDictionarySetter, ":@");
        }
        else
        {
            // 添加 getter 方法
            class_addMethod(self, selector, (IMP)autoDictionaryGetter, "@@:");
        }
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:selector];
}

备援接受者

这是整个消息转发机制的第二站，看名字就可以看出来，这是在寻找一个备用援救的接受者，到了这一阶段，系统会调用这个方法：

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;

传入参数aSelector同样为无法处理的方法。

返回值为当前找到的备援接受者，如果没有则返回nil，进入下一阶段。

完整的消息转发机制

如果前两个阶段都没有办法处理消息，就会启动完整的消息转发机制。

首先会创建NSInvocation对象，把尚未处理的那条消息的全部信息细节装在里边，在触发NSInvocation对象时，系统派发系统（message-dispatch system）将会把消息指派给目标对象。这时会调用该方法：

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

传入的参数anInvocation就包含了消息的所有内容。

如果此时还是没办法处理消息，就会沿着继承的顺序一步一步向父类调用相同的方法，直到最后的NSObject类中，这时候如果还没有办法处理消息，就会调用doesNotRecognizeSelector:抛出异常。

到此为止，消息转发的整个流程就都结束了。

Method Swizzling

谈到黑科技，就不得不提一下Objective-C 中的 Method Swizzling 技术，它可以允许我们动态地替换方法的实现，实现 Hook 功能，是一种比子类化更加灵活的“重写”方法的方式。就是说在开发中，我们可能会遇到系统提供的 API 不能满足实际需求，我们希望能够修改它以达到期望的效果。

Method Swizzling 原理

Method Swizzling 的实现充分利用了动态绑定机制。

在 Objective-C 中调用方法，其实是向一个对象发送消息，而查找消息的唯一依据是方法名 selector。每个类都有一个方法列表 objc_method_list，存放着其所有的方法 objc_method。

typedef struct objc_method *Method
struct objc_method{
    SEL method_name      OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法名
    char *method_types   OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP method_imp       OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法实现
}

每个方法 objc_method 保存了方法名（SEL）和方法实现（IMP）的映射关系。Method Swizzling 其实就是重置了 SEL 和 IMP 的映射关系。如下图所示：

【iOS面试粮食】Runtime—消息传递和转发机制、Method Swizzling

消息传递（方法调用）

消息转发

动态方法解析

备援接受者

完整的消息转发机制

Method Swizzling

Method Swizzling 原理

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