本文是我在 Alt Tech Talks: London 上關(guān)于 Objective-C runtime的演講總結(jié)，如果你對(duì)Objective-C runtime感興趣的話，應(yīng)該看看這篇文章，特別是文章中的鏈接，一定會(huì)受益匪淺。 

什么是Objective-C runtime?

簡(jiǎn)單來說，Objective-C runtime是一個(gè)實(shí)現(xiàn)Objective-C語言的C庫。對(duì)象可以用C語言中的結(jié)構(gòu)體表示，而方法（methods）可以用C函數(shù)實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，他們 差不多也是這么干了，另外再加上了一些額外的特性。這些結(jié)構(gòu)體和函數(shù)被runtime函數(shù)封裝后，Objective-C程序員可以在程序運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建，檢 查，修改類，對(duì)象和它們的方法。

除了封裝，Objective-C runtime庫也負(fù)責(zé)找出方法的最終執(zhí)行代碼。當(dāng)程序執(zhí)行[object doSomething]時(shí)，不會(huì)直接找到方法并調(diào)用。相反，一條消息（message）會(huì)發(fā)送給對(duì)象（在這兒，我們通常叫它接收者）。runtime庫 給次機(jī)會(huì)讓對(duì)象根據(jù)消息決定該作出什么樣的反應(yīng)。Alan Kay反復(fù)強(qiáng)調(diào)消息傳遞（message-passing）是Smalltalk最重要的部分（Objective-C根據(jù)Smalltalk發(fā)展而來），而不是對(duì)象： 

由于以前關(guān)于這個(gè)話題我創(chuàng)造了“對(duì)象”這個(gè)詞，現(xiàn)在很多人都對(duì)這個(gè)概念趨之若鶩，這讓我感到非常遺憾。

其實(shí)這里面更為重要的理念是“消息命令”（messaging），這才是Smalltalk的核心內(nèi)容（現(xiàn)在尚有一些內(nèi)容還沒有全部完成）。日 語中有個(gè)簡(jiǎn)短的單詞叫做“ma”，它用來表示兩個(gè)物體之間的東西，在英語中和它最相近的單詞也許是“interstitial”。制造一個(gè)龐大且可擴(kuò)展系 統(tǒng)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)它各個(gè)模塊之間的通信方式，而不是關(guān)注它的內(nèi)部屬性和行為。 

實(shí)際上，在一篇介紹Smalltalk虛擬機(jī)的文章里，這門編程技術(shù)被叫做消息傳遞或者消息傳送范式。“面向?qū)ο?rdquo;通常用來描述內(nèi)存管理系統(tǒng)。

在演講和文章中都使用ObjC runtime這個(gè)詞，看似只有一個(gè)，實(shí)際上存在很多runtime庫。雖然它們都支持對(duì)象的自省檢查和消息接收，但是它們卻有不同的特性和實(shí)現(xiàn)方式（例 如，同樣是發(fā)送消息，Apple的runtime用一步完成，而GNU runtime會(huì)先查詢這些消息，然后執(zhí)行查找到的函數(shù)分兩步完成）。以下所有的討論，都是基于Apple的***runtime庫（蘋果公司在OSX 10.5和iOS發(fā)布時(shí)的版本）。 

在那次演講中，我決定研究runtime庫某些領(lǐng)域的功能。我找了一些希望更透徹了解的東西，然后把它們做成問答的形式組成我的演講。

動(dòng)態(tài)創(chuàng)建類

如何實(shí)現(xiàn)Key-Value Observing?

 當(dāng)我在準(zhǔn)備這次演講時(shí)，一篇叫做KVO considered harmful 的文章開始擁有很多擁躉。它提出了很多對(duì)KVO正確的批評(píng)，但相對(duì)于舍棄觀察者模式不用，我更想探索出一種新的實(shí)現(xiàn)方式。 

KVO實(shí)現(xiàn)觀察者模式的關(guān)鍵是它偷偷摸摸將被觀察對(duì)象的類改變了，它子類化原來的類后，就能夠自定義該對(duì)象的方法來調(diào)用KVO的回調(diào)方法。這些都是通過 objc_duplicateClass這個(gè)方法完成，但很遺憾，這個(gè)方法并不公開，我們無法私自調(diào)用。 

條條大路通羅馬，好在除了objc_duplicateClass，還有其他方法可以通過使用秘密子類化的方式實(shí)現(xiàn)觀察者模式，比如創(chuàng)建和注冊(cè) “class pair”。那么什么是class pair呢？對(duì)于Objective-C的類來說，都有一對(duì)Class的對(duì)象來定義它：Class對(duì)象定義了這個(gè)類的實(shí)例方法，而metaclass定義 了這個(gè)類的類方法。所以每個(gè)class其實(shí)是它metaclass的單例。 

這個(gè)代碼展 示了觀察者模式的工作原理。當(dāng)你給對(duì)象增加觀察者時(shí)，這個(gè)對(duì)象首先會(huì)檢查自己是否可被觀察，如果是，它會(huì)新創(chuàng)建一個(gè)類，用我們自己的-dealloc替代 原來類的方法，同樣它也會(huì)把-class方法替換掉，類似于KVO被觀察對(duì)象，當(dāng)你訪問被觀察對(duì)象的類名時(shí)，返回的是它原來的類名，而不是新生成的類。

創(chuàng)建完類后，我們需要照著 Key-Value Coding為屬性增加一個(gè)setter方法：這個(gè)setter方法會(huì)獲取這個(gè)屬性修改前的值和修改后的值，然后調(diào)用block形式的回調(diào)函數(shù)，將這兩個(gè)值告訴觀察者。代碼中根據(jù)我們的意愿，這個(gè)block可以異步調(diào)用。 

請(qǐng)注意， -addObserverForKey:withBlock:會(huì)使用s object_setClass() 將被觀察對(duì)象的類替代為新組建的類。這樣做最主要的目的是將消息轉(zhuǎn)變?yōu)榉椒ǖ姆绞礁淖儯沁@需要非常小心，原來的類和新的類必須有相同的成員變量布局。 因?yàn)槌蓡T變量也是用過runtime訪問，修改某個(gè)對(duì)象的類可能導(dǎo)致runtime無法找到對(duì)應(yīng)的變量。 

我們?cè)诖鎯?chǔ)觀察者集合時(shí)遇到些麻煩，因?yàn)闆]地方去存它們。給ObserverPattern這個(gè)類增加成員變量不起作用，因?yàn)楦緵]有生成這個(gè)類的對(duì)象。被觀察對(duì)象的成員變量是它原來類的，它并沒有考慮過這些觀察者。 

Objective-C runtime通過引入 associated objects 幫助我們擺脫這個(gè)困境。在runtime里，理論上所有對(duì)象都可以擁有包含其他對(duì)象的字典。通過associated references，被觀察對(duì)象可以存儲(chǔ)和訪問他們的觀察者，而不需要額外的成員變量。

如果你運(yùn)行多次后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)ObserverPattern 還是有點(diǎn)小毛病的。由于觀察者回調(diào)是異步調(diào)用的，觀察者接

收到的變化事件也是亂序的。這意味著觀察者其實(shí)無法區(qū)分被觀察屬性的最終狀態(tài)是什么，回調(diào)中的新值可能早已被修改。我這樣做的目的是為了說明在KVO中同步調(diào)用回調(diào)其實(shí)是個(gè)有用的特色，并非bug。 

創(chuàng)建對(duì)象

那些額外的字節(jié)都是干啥用的？

當(dāng)你創(chuàng)建一個(gè) Objective-C對(duì)象時(shí)，runtime會(huì)在實(shí)例變量存儲(chǔ)區(qū)域后面再分配一點(diǎn)額外的空間。這么做的目的是什么呢？你可以獲取這塊空間起始指針（用 object_getIndexedIvars），然后就可以索引實(shí)例變量（ivars）。好吧，下面我會(huì)使用自定義數(shù)組來說明一下索引ivars的用 處。 

讓我們創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組！從這個(gè)SimpleArray中可以看到兩件事情：最明顯的一件是它使用了類簇模式。 當(dāng)使用+alloc方法返回對(duì)象時(shí)，一般情況下已經(jīng)為這個(gè)對(duì)象分配了所有的內(nèi)存，但是在這個(gè)例子中，在+alloc時(shí)并不知道需要多大的內(nèi)存空間。只有當(dāng) 調(diào)用了 -initWithObjects:count:以后，才能根據(jù)數(shù)組內(nèi)對(duì)象數(shù)量計(jì)算出這個(gè)數(shù)組需要多大的內(nèi)存，所以+alloc只是返回一個(gè)占位符，只有 在初始化后才會(huì)分配和返回真正的數(shù)組對(duì)象。 

或許你會(huì)問為什么我們要用類簇把事情搞那么復(fù)雜，使用 calloc()另外分配一塊大小合適的緩存，然后把那些對(duì)象指針存到里面不就得了？答案是希望利用局部性原理提高訪問性能。從數(shù)組的設(shè)計(jì)上我們可以看出，每次數(shù)組指針被訪問時(shí)，之后會(huì)有很大幾率訪問到緩存指針，所以把它們肩并肩的放入內(nèi)存意味著找到其中一個(gè)就是找到了另外一個(gè)。 

消息派發(fā)

消息如何轉(zhuǎn)發(fā)？

Objective-C其中一個(gè)強(qiáng)大特性是對(duì)象不需要實(shí)現(xiàn)某個(gè)方法，盡管它在編譯時(shí)聲明了該選擇符（selector）。但它可以在運(yùn)行時(shí)再?zèng)Q 定方法實(shí)現(xiàn)，或者將這些消息轉(zhuǎn)發(fā)給其他對(duì)象，或者發(fā)出異常，亦或做一些其他事情。但是這個(gè)特性的某些方面曾經(jīng)一直困擾我：消息轉(zhuǎn)發(fā)（message forwarding）會(huì)調(diào)用 -forwardInvocation:，然后傳入一個(gè)NSInvocation 對(duì)象。但是這個(gè)NSInvocation 類是在Foundation庫中定義的，難道說runtime工作需要Foundation配合？ 

我試著挖掘其中的原因，發(fā)現(xiàn)答案并不是我想的那樣，runtime不需要知道Foundation。runtime會(huì)讓程序定義轉(zhuǎn)發(fā)函數(shù) （forwarding function），當(dāng) objc_msgSend()無法找到該selector的實(shí)現(xiàn)時(shí)，那個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)函數(shù)就會(huì)被調(diào)用。程序一啟動(dòng)，CoreFoundation就將 -forwardInvocation:定義成轉(zhuǎn)發(fā)函數(shù)。 

讓我們來創(chuàng)建一個(gè)Ruby！ 當(dāng)然并不是真的實(shí)現(xiàn)完整的Ruby，Ruby有一個(gè)叫做#method_missing的函數(shù)，當(dāng)對(duì)象收到一個(gè)它沒有實(shí)現(xiàn)的消息時(shí)，這個(gè)函數(shù)就會(huì)被調(diào)到， 這和Smalltalk的做法比較相似。使用objc_setForwardHandler，我們也能在Objective-C的類中實(shí)現(xiàn)類似Ruby的 methodMissing:方法。 

總結(jié)

Objective-C runtime可以有效的幫助我們?yōu)槌绦蛟黾雍芏鄤?dòng)態(tài)的行為。一些開發(fā)者除了使用method swizzling幫助調(diào)試程序，并不會(huì)在實(shí)際程序中使用它，但runtime編程的確有很多功能，它應(yīng)該成為實(shí)際應(yīng)用代碼編寫的重要工具。

原文地址：http://blog.securemacprogramming.com/2013/12/by-your-_cmd/