Objective-C的物件模型和runtime機制

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• 物件模型(結構定義，類對象、元類和執行個體對象的關係)
• 訊息傳遞和轉寄機制
• runtime系統功能理解

物件模型結構定義

對象（Object）: OC中基本構造單元 （building block），用於儲存和傳遞資料。

可以在objc.h的檔案中尋找到對象結構的定義，如下所示即對象結構為Class類型的isa,而Class是 objc_class結構類型指標。objc_class即我們理解的類對象結構，其也包含一個isa類對象結構指標。

類和對象的最終實現都是一種資料結構，（subclass is an instance of superclass）

• 對象結構

/// Represents an instance of a class.struct objc_object {    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;};

• id類型定義

/// A pointer to an instance of a class.typedef struct objc_object *id;

• Class類型定義

/// An opaque type that represents an Objective-C class.typedef struct objc_class *Class;

• 類（對象）結構

struct objc_class {    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;#if !__OBJC2__    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;#endif} OBJC2_UNAVAILABLE;

類（類對象）、元類（元類對象）和執行個體對象的關係

一個完整的類應該包括類方法、執行個體方法和成員變數（執行個體變數), 每個對象都包括一個isa（is a class）指標指向類對象（運行時方法發送給對象訊息，才確定類別並調用相應的方法實現），類對象結構中記載了類的所有資訊。

類對象的isa指向元類對象（meta class），類對象中的方法列表是執行個體方法（－， instance methods）， 元類對象中的方法列表是類方法（＋， class methods）

• 可以這麼理解：
  

  類包括類對象和元類對象,它們通過類對象結構定義，構成類的所有資訊。在定義執行個體對象的時候，並不會進行任何儲存空間（堆）分配，直到調用類方法alloc函數和執行個體方法init函數實現執行個體對象在堆中的結構儲存分配，並將isa指向其類對象，父類成員變數和對應類對象成員變數初始化為0或nil

上述理解可以通過下面代碼和物件變數結構分析來進行確認。

• 測試代碼

#import <Foundation/Foundation.h>#import <objc/runtime.h>@interface AClass : NSObject{    int a;    char cA;}- (void)printA;@end@implementation AClass- (void)printA{    NSLog(@"I am class A~");}@end@interface BClass : AClass{    int b;    char cB;}- (void)printB;@end@implementation BClass- (void)printB{    NSLog(@"I am class B~");}@end// ---------- main ----------int main(int argc, const char * argv[]) {    @autoreleasepool {        // ＊＊＊＊＊＊物件模型初探＊＊＊＊＊＊        AClass *a = [[AClass alloc] init];        BClass *b = [[BClass alloc] init];        BClass *b1;        [a printA];        [b printB];        }        return 0; }

• 查看物件變數結構（通過設定斷點進入Debug模式查看）

• 類對象、元類和執行個體對象的isa指標調用圖示（subclass is a instance of superclass）

(1) Root class 是NSObject， NSObject沒有超類，superclass －> nil

(2) 每個類對象都有一個isa指向唯一的Meta class

(3) 每個元類對象的 isa指標都指向 NSObject的元類對象

訊息傳遞和轉寄機制

訊息傳遞（Messaging）： 在對象之間傳遞資料並執行任務的過程

Objective－C基於C語言加入了物件導向特性和訊息轉寄機制的動態語言，除編譯器外還需要用Runtime系統來動態建立類和對象進行訊息發送和轉寄。

不同語言有不同函數傳遞方法，C語言 － 函數指標，C++ － 函數調用（引用）類成員函數在編譯時間候就確定了其所屬類別， Objective－C 通過選取器和block。

Objective－C強調訊息傳遞而非方法調用。可以向一個對象傳遞訊息，且不需要再編譯期聲明這些訊息的處理方法。這些方法在運行時才確定。運行時（runtime）具體功能將在下面介紹。

［receiver message］；
並不會馬上執行 receiver 對象的 message方法的代碼，而是向receiver發送一條message訊息，該句話被編譯器轉化為：

id obj_msgSend(id self, SEL op, …);

PS: 訊息調用函數還存在特殊情況，如其他函數
objc_msgSend_stret //待發送訊息返回結構體
objc_msgSend_fpret //返回浮點數
objc_msgSendSuper //給超類發訊息

SEL 表示方法選取器，結構如下： typedef struct objc_selector＊SEL；, 可通過關鍵字@selector()獲得

id 資料結構在第一部分:物件模型中已經有定義。

obj_msgSend 發訊息流程程：

• 根據receiver 對象的isa類對象指標擷取對應的class(類對象);
• 優先在類對象的cache（fast map）尋找message方法，Not find －>再到methodLists（類中的調度表，用於映射方法和實際記憶體位址，同時類中還包括指向父類的指標）尋找；
• 如果沒有在class象裡找到，再到super_class尋找；
• 如果找到message這個方法，執行它的實現IMP
• 如果找不到訊息，則執行訊息轉寄（message forwarding）

Method資料結構 runtime.h標頭檔中定義：

typedef struct objc_method *Method;struct objc_method {          SEL method_name; // 特殊的字串，描述方法名， 可以通過關鍵字 @selector( ) 擷取          char *method_types;          IMP method_imp;}

PS:訊息轉寄分為兩大階段即動態添加方法解析（dynamic method resolution）和完整的訊息轉寄機制（full forward mechanism）

runtime系統功能理解

runtime : 程式運行後，提供相關支援的代碼叫做OC運行期環境（OC runtime），它提供了對象間傳遞訊息的重要函數（比如objc_msgSend）,並且包含建立類執行個體所用的全部邏輯（即建立執行個體對象的儲存結構和空間，包括isa指向“類對象”的指標）

runtime系統是一個用C語言編寫動態連結程式庫，核心是訊息分發。Runtime機制包括物件模型，訊息傳遞和轉寄，方法實現機制和其他運行時方法，可以實現動態建立修改類對象和對象等功能，訊息傳遞和轉寄，方法動態實現，Method Swizzling等功能。

參考資源

Effective Objective-C 2.0
Objective-C的物件模型與運行時
深入理解Objective-C的Runtime機制
Objective-C的動態特性

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Objective-C的物件模型和runtime機制