Objective-C 和 Runtime

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运行时 (Runtime) 本身是一个非常普通的概念，每个编程语言都会有运行时，非 iOS Objective-C 特有。
概念上理解，运行时，就是程序执行的过程，每个编程语言，只有运行后执行特定的任务才有价值，所以每个编程语言，都有运行时。
而 Objective-C 的 Runtime 显然不仅仅是程序执行过程这么简单，它一举将基于面向过程的语言 C 而实现的面向对象的语言 Objective-C 变成了动态语言。
为什么 Objective-C 的 Runtime 有些难理解，因为运行时从概念上理解非常简单，但是 Java、Python、C 它们的运行时都是不一样的，运行时期间可以做很多事情，所以运行时理解起来还是比较抽象和高阶。
如果把 Runtime 改名为 OCDR（Objective-C Dynamic Resolution，即 Objective-C 动态决议），剥离运行时和运行时库的概念，那么很多人都会轻松掌握 Objective-C Runtime 的核心。而 Objective-C Runtime 本质上的确就在践行动态决议这么一个过程。

Objective-C Runtime 使得函数调用变成了动态消息传递，并且可以在执行过程中对 Object 进行增删改查，所以更准确的说，Runtime 使得 Objective-C 变成了动态语言。

动态语言分析

首先理解一下各类语言的一个区分分界，那就是动态语言和静态语言的区分（非动态类型语言和静态类型语言）。
关于编译型语言 & 解释型语言，可以查看 Shell 和进程。

静态语言

静态语言比较容易理解，我们通过高级语言写好的代码，经过预处理、编译、汇编、链接后，就形成了机器码（二进制文件）。这个时候，函数名、变量名都保存在符号表中，并拥有对应的虚拟地址。而我们调用一个函数，就是通过机器码调用的，汇编示例如：’call 0X12345678’，这里 call 代表函数调用，0X12345678 代表函数的虚拟地址。
这个机器码执行的过程中，PC 指令寄存器会不断的记录下一行将要执行的指令，然后不停的执行下去 (延伸一个知识点，如果下一行指令不再内存中，操作系统会发现页缺失，然后从硬盘中将对应缺失页的指令拷贝到对应的真实内存中，然后继续执行)。
这里我们可以发现，我们通过高级语言写好的函数，在编译后，就已经不可改变了。程序执行后，CPU 内部的运算单元、控制单元、数据单元，就有条不紊的按照机器码执行就好了。
那么如果我们想改变一个函数的实现呢？比如本身调用的 A 函数，运行期间想调用 B 函数，有办法实现吗？对于静态语言来说，不行！
那么如果我们想改变一个对象的结构体呢？对于静态语言来说，不行！
所以静态语言，对于函数的定义，在编译期就必须是明确的，如果找不到函数的实现，就会编译错误。
举例来说，如 C 语言。不过 C 语言也有一个动态化的能力，就是 hook，可以做一定程度的动态能力，不过这并不是语言级别支持的，只是上层业务的补救。

动态语言

动态语言相比静态语言，也比较容易理解了，在运行时代码可以根据某些条件改变自身结构，如函数的调用，自定义类的生成和对象的创建等。那这样的语言就是动态语言。
举例来说，如 Objective-C 语言。

分析

C 是静态的，Objective-C 是动态的，而 Objective-C 是基于 C 实现的。那 Objective-C 是如何基于 C 实现动态特性的呢？

C 有它的运行时，不过程序执行过程中，CPU 完全掌控机器码执行流程，所以 C 的运行时不能多样化，基本上就是按照程序员写的代码执行顺序执行。这也是 C 快的原因，因为 CPU 直接执行，不用考虑那么多复杂的情况。

那 Python 如何实现动态的呢？Python 也有它的运行时，不过说来巧妙，它不是编译性语言，不会像 C 一样打包成机器码直接执行。Python 是解释性语言，代码执行到哪一行，就即时编译该行形成机器码执行，所以 Python 非常容易实现动态，只要代码运行过程中适当的添加 if 语句对将要执行的对象进行替换，就能很好的实现动态，鸭子 Duck 模型也就来源于此。

那 Objective-C 呢？Objective-C 和 C 一样是编译性语言，项目打包后会经过编译链接等处理变成机器码。
Objective-C 实现动态就要运行时了，因为在运行时做了很多操作，以至于很多人叫它 “运行时系统”。
之所以前面说 Objective-C 的 Runtime 应该改名为”Objective-C Dynamic Resolution，Objective-C 动态决议”，就是因为 Objective-C 的 Runtime 主要实现的两个点都更加符合 “动态决议” 这个命名：

  1. 通过 objc_msgsend (a_object,a_object_method,xx) 这个中间者函数，动态解析被调用的函数。
  2. 通过指针、数组的指针、链表指针、全局数据，间接操作函数列表、属性列表等，动态的对 Object 进行增删改查。

Objective-C Runtime 函数调用动态性

之所以很多人说 Objective-C 的函数调用并非函数调用，而是消息传递，其原因就是 Objective-C 的函数调用很不一样。
在 C 中，我们调用一个函数，会这样写：

1
2
3
Node *head = NULL;
...生成链表...
reverseLinkList(&head);// 反转链表

这里，reverseLinkList 函数的调用，在汇编里面为：call 0x12345678，其中 0x12345678 就是 reverseLinkList 这个符号名的虚拟地址。
这里我们可以发现，reverseLinkList 函数的虚拟地址在编译的时候就已经定下来了，后期无法做到动态性。
再来看一下 Objective-C 的实现，因为 Objective-C 是面向对象的语言，所以我们调用对象的一个方法：

1
2
Person p = Person.new;
[p realAge];

这里，[p realAge] 这个函数的调用，p 有自己的虚拟地址，realAge 函数也有自己的虚拟地址，但是在汇编之前，该函数已经被编译成了这样：
objc_msgsend(p, realAge)。
如此，Objective-C 通过 objc_msgsend 这个完全汇编写成的中间函数，在函数内部通过运行时库对 p 进行 superclass 和 isa 的访问，乃至最后实现三次动态函数转发操作。
所以 Objective-C 实现消息传递，就是依靠 objc_msgsend 这个中间函数来实现，如果 objc_msgsend 的虚拟地址为 0x87654321，那么 [p realAge] 函数被执行的时候，实际汇编为：call 0x87654321。

上面说完了 objc_msgsend 这个中间函数完成动态解析的操作，那它是如何进行 superclass 和 isa 的访问，又是如何访问属性和方法列表的呢？

Objective-C 面向对象的本质：C 的 struct（结构体）

通过 Runtime 源码，我们可以发现，Objective-C 里面一切皆对象，乃至 UILabel、NSTimer 等。而这些对象是以什么样的数据结构存在呢？
都是 struct（结构体）! 我们的成员变量，成员属性，方法等，都保存在结构体里面。
所以这里我们可以深刻理解一下，为什么说 Objective-C 是 C 的超集，因为面向对象的 Objective-C 语言完全就是依靠面向过程的 C 语言发展起来的，乃至于我们写的面向对象的代码，最后都会变成面向过程的执行流程。
我们可以查看苹果公开的 runtime.h 文件，都是面向过程的函数调用。如：

objc_setAssObjective-CiatedObject(id _Nonnull object, const void * _Nonnull key, id _Nullable value, objc_AssObjective-CiationPolicy policy)

你看，这完全就是面向过程的编程。

因为 struct 是我们对象的存储结构，所以我们可以通过 * class_getProperty (Class _Nullable cls, const char * _Nonnull name)* 等库函数直接对 struct 内部保存的数据进行访问。
比如我们要访问 a_object 的 a_object_method 方法，那么就要通过 a_object_struct，根据 superclass 找到类 A_struct，然后遍历 A_struct 里面的 methods 数组，找到 a_object_method 方法并执行。

struct 结构体在编译后就已经确定，那如何做到动态性如增加方法呢？struct 的实现是 C 和 C++ 混编的，但大体逻辑不变，都是通过指针实现的。
比如说，struct 里面有一个方法的数组指针，那么我们动态添加方法的时候，只要通过这个数组指针就可以添加到对应的方法数组中，这样就完全不会改变 struct 的结构 (甚至如果数组需要扩容，也和 struct 没有任何关系)。

因为 struct 在编译后就已经确定，所以能做动态性的方案不外乎这几点：

  1. 通过数组指针，如方法列表等
  2. 通过链表指针，如 NSNotification 等
  3. 通过全局对象，如关联对象等

所以指针才是 C 和 Objective-C 最终执行的终极形态，不断通过指针间接的对数据区进行增删改查。
而 Objective-C 的 Runtime 就是不断通过指针对 struct 结构体进行增删改查数据处理来实现动态特性。

Objective-C Runtime 总结

Objective-C Runtime 用的最多的是 objc_msgsend，所有的函数调用都会通过这个消息传递完成。
编译成机器码的函数调用，本身无法实现动态性，通过 objc_msgsend 这个中间层巧妙的实现了。
而 objc_msgsend 的汇编执行又得反过来操作运行时库，又回到了对象的 struct 结构体上面。
Objective-C Runtime 本质就是通过指针操作 struct 的增删改查来实现 Objective-C 的动态特性。

C 语言中一切皆指针，基于 C 发展起来的 Objective-C，也是一样。
而指针也是中间层思想的体现。本身无法直接操作的数据，通过指针这个中间层，间接的对数据进行操作。

延伸

神话 Runtime 的结果就是越发觉得自己的无知和不知所以。
Runtime 是啥？从编译上来看，Runtime 不是和我们项目一起打包成 ipa 包的，那 Runtime 还能是啥？
Runtime 说的直白点，仅仅是个动态库而已，也叫运行时库。
它和我们项目里面使用的自行编译或者三方编译的动态库一样，也需要在应用启动后加载到进程中（Runtime 和系统 framework 一样，属于系统动态库）。

iOS 和 Mac 使用的可执行文件是 Mach-o，与 Linux 的 ELF 和 Window 的 PE 一样，都是基于 COFF 格式扩展的。
所以 Mach-o 可执行文件的运行流程和 ELF 等都大差不差，当然具体到细节有一些差异。但总体都是差不多的，比如 segment 和 section、section head、内存分区等，都一样。

应用启动后，首先操作系统通过 fork 开辟进程，开启用户态后，然后加载 Mach-o head。head 里面有很多重要信息，如 Magic Number (Mach-o 通过 0xfeedface/0xfeedfacf 表示 32/64 位，ELF 则有’E’’L’’F’标记、32/64 位、版本、大小端等)、版本、支持 CPU、文件类型等。

然后找到 Load Commands 区，这里面有几个重要的信息，其中有三个为 Segment (通过 Segment 将相同读取及可执行权限的 section 汇总到一起)，Dyld，Dylib。
通过 Segment 可以找到具体执行的指令和数据的 Section，和 ELF 里面的 section head (段表) 类似。应用启动的时候还没有到执行 Segment 那一步，还有一些重要的信息没有完成，其中一个就是动态库的符号解析和重定位。
PC 指令寄存器首先指向了 Dyld (动态链接器)，将 Dyld 运行起来后，开始将所有动态库复制到内存（已经在内存的无需重复加入，如系统库）。
所有项目里面所有用到的动态库，都会在这个时候拷贝到内存里面，一个都不会少。像一般项目，系统库都会有 200-500 个动态库要添加，因为已经在内存，所以不会耗费时间（手机重启后打开的第一个应用，会比较耗时，就是因为很多系统库都不在内存中）。
Dyld 将所有需要的动态库拷贝到内存后，Runtime 库也就拷贝好了。所以这是 Runtime 第一次展示的时机。而它第二次展示，就要等很多准备操作之后了。

因为 iOS 在 4.3 系统之后，升级了虚拟地址方案，采用了动态虚拟地址，就是每个应用程序启动后，起始地址都是动态的。那么已经编译好的 Mach-0 就需要重新修正指令地址了。
这里的指令地址修复，分为两个环节，一个是本身 Mach-0 内部的地址修复，如函数调用、数据使用。这个就是 Rebase 阶段，总体是 I/O 耗时，但没有太多复杂的。

第二个环节是对动态库对引用修正。因为对动态库的使用本身就是地址为 0，需要在应用启动后重定位的，所以动态虚拟地址和动态库重定位在第二个环节就一套带走了。
这里有个特殊点，就是动态库也是程序，同样包含指令和数据。所有应用程序对动态库的指令都是共享的，如函数调用，但是对数据都是私有的，需要应用程序自己处理。
第二个环节里面，会把所有需要修正的数据全部修正掉，而函数调用，则是真正运行到这行指令的时候，才能修正。没有运行之前，仅仅做了一层映射，并没有真正处理。
这个映射就是动态库的数据和指令的映射，是一个 section 保存在 Data 区，因为这个区的数据可读写。这个映射就是 got section。
而第二个环节，也就是 Bind 阶段，更多的是 CPU 操作。

Rebase 和 Bind 过后，又到了 Runtime 大显身手的时候了，PC 指令寄存器指向了 Runtime 的指令位置，开始进行 class 的遍历、method 的遍历、load 的执行等等操作。

过后，才是项目的 main 函数的执行，然后是 application 的执行。当然，项目运行起来后的所有 objc_msgsend，都是要走一遍 Runtime 的。也就是 struct 那一套了。

所以 Runtime 是一个动态库，也叫运行时库。这也是我们项目里面要使用 Runtime 的时候，都要先#import <objc/runtime.h> 的原因。