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，一定會受益匪淺。 

什么是Objective-C runtime?

簡單來說，Objective-C runtime是一個實現(xiàn)Objective-C語言的C庫。對象可以用C語言中的結(jié)構(gòu)體表示，而方法（methods）可以用C函數(shù)實現(xiàn)。事實上，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行時創(chuàng)建，檢 查，修改類，對象和它們的方法。

除了封裝，Objective-C runtime庫也負責(zé)找出方法的最終執(zhí)行代碼。當(dāng)程序執(zhí)行[object doSomething]時，不會直接找到方法并調(diào)用。相反，一條消息（message）會發(fā)送給對象（在這兒，我們通常叫它接收者）。runtime庫 給次機會讓對象根據(jù)消息決定該作出什么樣的反應(yīng)。Alan Kay反復(fù)強調(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），而不是對象： 

由于以前關(guān)于這個話題我創(chuàng)造了“對象”這個詞，現(xiàn)在很多人都對這個概念趨之若鶩，這讓我感到非常遺憾。

其實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 語中有個簡短的單詞叫做“ma”，它用來表示兩個物體之間的東西，在英語中和它最相近的單詞也許是“interstitial”。制造一個龐大且可擴展系 統(tǒng)的關(guān)鍵是設(shè)計它各個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。 

實際上，在一篇介紹Smalltalk虛擬機的文章里，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這個詞，看似只有一個，實際上存在很多runtime庫。雖然它們都支持對象的自省檢查和消息接收，但是它們卻有不同的特性和實現(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。

動態(tài)創(chuàng)建類

如何實現(xiàn)Key-Value Observing?

 當(dāng)我在準(zhǔn)備這次演講時，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KVO正確的批評，但相對于舍棄觀察者模式不用，我更想探索出一種新的實現(xiàn)方式。 

KVO實現(xiàn)觀察者模式的關(guān)鍵是它偷偷摸摸將被觀察對象的類改變了，它子類化原來的類后，就能夠自定義該對象的方法來調(diào)用KVO的回調(diào)方法。這些都是通過 objc_duplicateClass這個方法完成，但很遺憾，這個方法并不公開，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現(xiàn)觀察者模式，比如創(chuàng)建和注冊 “class pair”。那么什么是class pair呢？對于Objective-C的類來說，都有一對Class的對象來定義它：Class對象定義了這個類的實例方法，而metaclass定義 了這個類的類方法。所以每個class其實是它metaclass的單例。 

這個代碼展 示了觀察者模式的工作原理。當(dāng)你給對象增加觀察者時，這個對象首先會檢查自己是否可被觀察，如果是，它會新創(chuàng)建一個類，用我們自己的-dealloc替代 原來類的方法，同樣它也會把-class方法替換掉，類似于KVO被觀察對象，當(dāng)你訪問被觀察對象的類名時，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setter方法：這個setter方法會獲取這個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)，將這兩個值告訴觀察者。代碼中根據(jù)我們的意愿，這個block可以異步調(diào)用。 

請注意， -addObserverForKey:withBlock:會使用s object_setClass() 將被觀察對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?，但是這需要非常小心，原來的類和新的類必須有相同的成員變量布局。 因為成員變量也是用過runtime訪問，修改某個對象的類可能導(dǎo)致runtime無法找到對應(yīng)的變量。 

我們在存儲觀察者集合時遇到些麻煩，因為沒地方去存它們。給ObserverPattern這個類增加成員變量不起作用，因為根本沒有生成這個類的對象。被觀察對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 幫助我們擺脫這個困境。在runtime里，理論上所有對象都可以擁有包含其他對象的字典。通過associated references，被觀察對象可以存儲和訪問他們的觀察者，而不需要額外的成員變量。

如果你運行多次后，你會發(fā)現(xiàn)ObserverPattern 還是有點小毛病的。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)其實是個有用的特色，并非bug。 

創(chuàng)建對象

那些額外的字節(jié)都是干啥用的？

當(dāng)你創(chuàng)建一個 Objective-C對象時，runtime會在實例變量存儲區(qū)域后面再分配一點額外的空間。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），然后就可以索引實例變量（ivars）。好吧，下面我會使用自定義數(shù)組來說明一下索引ivars的用 處。 

讓我們創(chuàng)建一個數(shù)組！從這個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方法返回對象時，一般情況下已經(jīng)為這個對象分配了所有的內(nèi)存，但是在這個例子中，在+alloc時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)對象數(shù)量計算出這個數(shù)組需要多大的內(nèi)存，所以+alloc只是返回一個占位符，只有 在初始化后才會分配和返回真正的數(shù)組對象。 

或許你會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)計上我們可以看出，每次數(shù)組指針被訪問時，之后會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就是找到了另外一個。 

消息派發(fā)

消息如何轉(zhuǎn)發(fā)？

Objective-C其中一個強大特性是對象不需要實現(xiàn)某個方法，盡管它在編譯時聲明了該選擇符（selector）。但它可以在運行時再決 定方法實現(xiàn)，或者將這些消息轉(zhuǎn)發(fā)給其他對象，或者發(fā)出異常，亦或做一些其他事情。但是這個特性的某些方面曾經(jīng)一直困擾我：消息轉(zhuǎn)發(fā)（message forwarding）會調(diào)用 -forwardInvocation:，然后傳入一個NSInvocation 對象。但是這個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的實現(xiàn)時，那個轉(zhuǎn)發(fā)函數(shù)就會被調(diào)用。程序一啟動，CoreFoundation就將 -forwardInvocation:定義成轉(zhuǎn)發(fā)函數(shù)。 

讓我們來創(chuàng)建一個Ruby！ 當(dāng)然并不是真的實現(xiàn)完整的Ruby，Ruby有一個叫做#method_missing的函數(shù)，當(dāng)對象收到一個它沒有實現(xiàn)的消息時，這個函數(shù)就會被調(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)槌绦蛟黾雍芏鄤討B(tài)的行為。一些開發(fā)者除了使用method swizzling幫助調(diào)試程序，并不會在實際程序中使用它，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/