ObjectiveC方法交换实践（一）基础知识

一、Objective-C 中的基本类型

首先看下 Objective-C 的对象模型，每个 Objective-C 对象都是一个指向 Class 的指针。Class 的结构如下：

struct objc_class {
	Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
	Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
	const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
	long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
	long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
	long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
	struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
	struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
	struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
	struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

这个结构已经有很多的说明了，下面简单的再描述下

1. 变量列表

变量 Ivar 也是一个结构体，每个 Class 中用变长结构体的方式存储了 Class 的变量列表。 IVar 的定义如下，包含 名称、类型、偏移、占用空间。

typedef struct objc_ivar *Ivar;

struct objc_ivar {
	char * _Nullable ivar_name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
	char * _Nullable ivar_type                               OBJC2_UNAVAILABLE;
	int ivar_offset                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
	int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

这个变长结构体定义如下：

struct objc_ivar_list {
	int ivar_count                                           OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
	int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
	/* variable length structure */
	struct objc_ivar ivar_list[1]                            OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

2. 方法列表

每个方法 Method 的定义如下，包含 SEL 指向对外的命名，char * 型 的方法类型， IMP 方法指针，指向具体的函数实现。

typedef struct objc_method *Method;

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nullable method_types                            OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP _Nonnull method_imp                                  OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

同样一个变长结构体来存储方法列表。Class 中的这个列表是个2级指针，所以可以向 Class 中动态的添加方法。

struct objc_method_list {
    struct objc_method_list * _Nullable obsolete             OBJC2_UNAVAILABLE;

    int method_count                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_method method_list[1]                        OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

3. 缓存

同样一个变长结构体存储之前找到的 Method。

1）、mask：可以认为是当前能达到的最大index（从0开始的），所以缓存的size（total）是mask+1；
2)、occupied：被占用的槽位，因为缓存是以散列表的形式存在的，所以会有空槽，而occupied表示当前被占用的数目。

他是通过 要查找的 Method 的 SEL 地址和 mask 做一系列运算来确定 Method 的存储与查找位置。更详细的说明可以看参考4。其中提到的几点也在说下：
子类的 cache 会存储在父类中找到的方法；cache 的大小会动态增加，但是增加之前一定会先清空自己（变长结构体的特性）。

typedef struct objc_cache *Cache                             OBJC2_UNAVAILABLE;

#define CACHE_BUCKET_NAME(B)  ((B)->method_name)
#define CACHE_BUCKET_IMP(B)   ((B)->method_imp)
#define CACHE_BUCKET_VALID(B) (B)
#ifndef __LP64__
#define CACHE_HASH(sel, mask) (((uintptr_t)(sel)>>2) & (mask))
#else
#define CACHE_HASH(sel, mask) (((unsigned int)((uintptr_t)(sel)>>3)) & (mask))
#endif
struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    unsigned int occupied                                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    Method _Nullable buckets[1]                              OBJC2_UNAVAILABLE;
};

4. 协议

typedef struct objc_category *Category;

struct objc_category {
    char * _Nonnull category_name                            OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nonnull class_name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable instance_methods     OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable class_methods        OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;


struct objc_protocol_list {
    struct objc_protocol_list * _Nullable next;
    long count;
    __unsafe_unretained Protocol * _Nullable list[1];
};

5. isa 和 superClass

看一张经典的图：

isa 表明当前对象所属于的 Class 类型（Class 也是一个对象，Class 的类型叫 MetaClass）。
superClass 表明当前对象从哪个父类派生出来的，根类型(比如 NSObject、NSProxy)的 superClass 是 nil。
向对象发送消息时，会去方法列表里面查询，找不到会去父类的方法列表，再找不到会进入动态添加、消息转发、消息包装的过程。向 Class 发送消息时，会去 MetaClass 走同样的过程。

二、self 和 super

1. self 是类的隐藏的参数,指向当前调用方法的类

2. super 是一个"编译器指示符", 是一个标记，告诉编译器起始于当前类的父类方法列表中搜索方法的实现。

看一个例子

@A
- (void)show{
}

- (void)log {
    NSLog(@"i am a");
}

- (void)print {
    NSLog(@"i am %@",[self class]);
}

@end

@B: A

- (void)show
{
    [self/super log];
    [self/super print];
}

- (void)log {
    NSLog(@"i am b");
}

- (void)print {
    NSLog(@"i am %@",[self class]);
}

@end

@ C: B
- (void)log {
    NSLog(@"i am c");
}

@end

在 B 的show 方法中分别改成 self 和 super，如下调用会输出什么？

C *c = [[C alloc] init];
[c show];

结果是 self 的时候 输出

i am c
i am C

super 的时候输出

i am a
i am C

用 self 调用方法，会编译成 objc_msgSend 方法，其定义如下：

void objc_msgSend(void /* id self, SEL op, ... */ )

第一个参数是消息接收者，也就是对象本身，第二个参数是调用的具体类方法的 selector。这里有个隐藏参数 _cmd，代表当前类方法的selector。

用super 调用方法，会编译成 objc_msgSendSuper 方法，其定义如下：

void objc_msgSendSuper(void /* struct objc_super *super, SEL op, ... */ )

其中 objc_super  的定义如下：

/// Specifies the superclass of an instance. 
struct objc_super {
    /// Specifies an instance of a class.
    __unsafe_unretained _Nonnull id receiver;

    /// Specifies the particular superclass of the instance to message. 
#if !defined(__cplusplus)  &&  !__OBJC2__
    /* For compatibility with old objc-runtime.h header */
    __unsafe_unretained _Nonnull Class class;
#else
    __unsafe_unretained _Nonnull Class super_class;
#endif
    /* super_class is the first class to search */
};

三、消息转发

当向一个类的实例发送方法时，会去 Class 结构的方法缓存列表 objc_cache  和 方法列表 objc_method_list  中查找有没有这个方法，如果没有的话，则会进入消息转发阶段。
消息转发主要分为两大阶段：

1. 动态方法解析：看对象所属类是否能动态添加方法

2. 转发阶段：既然第一步已经不会新增方法来响应，那系统就会请接受者看看有没有其他对象响应这个消息；如果没有，就把消息封装到 NSInvocation中，再做一次尝试。

参考：
1.http://www.sealiesoftware.com/blog/archive/2013/09/24/objc_explain_Non-pointer_isa.html
2.http://time-track.cn/variable-length-structure.html
3.https://tech.meituan.com/DiveIntoMethodCache.html
4.http://blog.csdn.net/datacloud/article/details/7275170
5.http://blog.csdn.net/wzzvictory/article/details/8487111