Objective-C 與 Runtime：為什么是這樣？
筆者非常高興能為Objective-C寫寫自己的理解和總結，不僅僅因為是筆者是Objective-C多年的重度開發者，更是因為這是一門有獨特想法的，有創造性的，有優美語法的，有歷史地位的編程語言。如果說對本文有什么預期的話，筆者希望能把一些類似“為什么是這樣”的問題說清楚。
Objective-C發明于上世紀80年代，Objective-C的作者——Brad Cox和Tom Love，在接觸到SmallTalk語言之后，一方面受到SmallTalk的啟發，另一方面也是看好C語言有著巨大影響力和廣闊前景，因此選擇在C語言的基礎上引入SmallTalk語言面向對象和消息派發的概念。最初的版本以C語言的擴展的形式實現的，在C編譯器中編寫支持Objective-C的預處理模塊，預處理會先將Objective-C語法代碼轉化為C代碼，再繼續C代碼的編譯過程。1988年，以企業為目標客戶的NeXT公司購買Objective-C的使用授權，接著擴展著名開源編譯器GCC，使其支持Objective-C，并且開發了AppKit和FoundationKit等基礎庫，Objective-C成為了NeXTSTEP系統（工作站）上“標準”的應用程序開發語言。1996年，Apple公司收購了NeXT公司，NeXTSTEP/OPENSTEP系統成為Apple新一代操作系統OS X的研發基礎。 2005年，Apple引入了Chris Lattner以及他的LLVM技術團隊，Objective-C新特性和編譯優化***次得到高水平編譯器***優先級的支持，先從后端的代碼優化和生成開始，逐步擴展到前端的語法解析（Clang）。如今（2015），Objective-C已經擁有GCC之外更為適合更為優異的編譯器套裝選擇——LLVM編譯器，LLVM包括完整的前后端模塊，***版本6.1（2015）。
Objective-C是面向對象的，這是Objective-C最基本的的概念。關于面向對象，把一定的算法（函數）和數據（變量）因某種內在的聯系綁定在一起，形成最基本的程序結構單元，這些結構單元即是經常談及的對象，加上抽象二字，我們稱呼它為抽象對象，術語簡稱類；通過對變量的賦值（筆者認為不僅是變量，邏輯運算如閉包也是可以用于賦值）則會構成實體對象，術語簡稱對象（Objective-C一般也稱作實例）。對象和對象之間不是完全獨立的，通過巧妙的方式，它們之間能建立緊密的聯系，比如繼承、派生，對事物的抽象以及對代碼的復用有著微妙而重大的價值。Brad Cox和Tom Lov出版的***本正式Objective-C著作，書名即為《Object-Oriented Programming, An Evolutionary Approach》。那么，為什么要對象，為什么要面向對象？這是個好問題，觀察人類普遍的思維，我們理解這個世界使用最多的概念就是物體，我們擅長把感知到的一切抽象為一個個的物體，通過了解物體的構成，以及物體之間的作用關系，實現對這個世界的認知和作用的目的。這一直是非常奏效的！面向對象就是把人類的思維的天賦和積累的思想財富應用于編程，這樣，程序對于增強生產能力/提高生活品質的效率和能力方面會大大提高。
/* 上圖為FoundationKit中支持的集合對象——（不可變）數組，繼承于根類NSObject，支持實現NSCopying在內的一系列協議（接口），count代表著有一個只讀變量，- (id)objectAtIndex:(NSUInteger)index等表示數組支持的可供使用的方法（函數） */
消息派發是Objective-C函數（Objective-C實際稱方法）調用的模式，前文亦有提及，概念繼承于Smalltalk。Objective-C的對象相互調用函數，被看做是向目標對象傳遞消息，消息的發送者稱作sender，消息的接收者稱作receiver，消息中間傳遞的字符串稱作selector（選擇子）。
/* 上圖的代碼表示至少有兩個明顯receiver，self.view為其中一個消息接收者，傳遞的消息（字符串/選擇子）為 “setBackgroundColor:“，UIColor表示一個類，類也是可以作為消息的接收者，字符串/選擇子為 “yellowColor” */
消息的處理就是需要先確定實際執行的方法然后跳轉過去并執行，我們理解為這是對該消息的回應，編譯期間，單從一句”派發消息”的語法是無法確定實際執行的結果。只有在程序運行期間，實際執行的結果才能得到確定。這種在運行期間才確定實際執行的方法，Objective-C稱為動態綁定。消息派發這種工作機制明顯區別另一著名面向對象編程語言——C++。C++調用對象的函數，函數與對象之間的關系，在編譯期間就必須嚴格確定，如果car里面沒有定義函數名為fly的函數，編譯器不會通過，而是會報錯。Objective-C如果向car發送字符串為”fly”的selector，即使car沒有實現fly方法，編譯器依然能夠通過，但是運行期間則會因為獲取不到實際執行的方法而拋出異常。這也就是說，消息派發的設計使得編譯期間Objective-C非常包容對象所屬的類。如上述，相同對象有相同的定義，稱為類，類本身還可以看作對象——“類”對象，可以對“類”對象進行“類”的定義，比如比較運算，哈希，描述，類名等，總之一切皆為對象。C++里面我們可以基于稱之為模板的方式實現對“類”的自定義，Objective-C通過統一基類比如NSObject（不僅僅只有NSObject，還可以是各類根協議）方式對所有類新增定義。你可以向任何包括空指針nil在內的對象發你想發的消息。消息派發的機制使得在不重新編譯的情況下，在運行期間，干預或者說hook原來的target（方法、變量等）變得更易于實現，更有實際應用價值。這個是需要依賴于消息派發和動態綁定的實現機制——Runtime，但是Runtime并不僅僅為消息派發和動態綁定而work，它也是Objective-C面向對象、內存模型等特性的實現者。
在正式介紹Runtime之前，我們先繼續介紹Objective-C的另外一個重要概念，筆者要說是Objective-C內存管理模型，程序運行時，創建一個對象總是要占用內存的，而內存總大小總歸有限，所以當一個對象不再被需要時，應當及時回收它所占用的內存資源用于新的對象，Objective-C的內存管理原理，簡單說就是“引用計數”機制。如果有模塊需要引用一個對象，引用時會讓對象統計用的引用計數值加1，并記錄在對象的結構信息當中，當模塊不再需要該對象的時候則減1，而當該對象的引用計數值為0時，就可以認為該對象不再被需要，及時銷毀釋放內存（回收資源）。Objective-C對象的內存空間僅分配在“堆空間”（heap space）中，肯定是不會分配在“棧”（stack）上。我們知道，“棧”的占用和回收是有嚴格的數據操作規則，簡稱“先入后出”。函數執行時，傳入的變量（當然包括對象變量）會按照確定的序列規則自動壓入“棧”（占有內存資源），函數執行結束時，這些變量又會按照相反的序列規則自動彈出（釋放內存資源）。因此，我們可以看出，“棧”其實是無法實施“引用計數”機制的，Objective-C否定使用“棧”存儲對象的設想。在語法上，Objective-C也無法像C++那樣直接聲明并創建一個對象變量，更無法直接操作該對象，Objective-C都是需要以類似C語言申請堆內存塊的語法(alloc)那樣創建一個對象變量，并且必須通過對象指針作為訪問句柄，這跟C語言申請堆內存塊非常類似。Objective-C這一“任性”的設計，也使得對象嵌套（一個對象作為另一個對象的成員變量）時，對象基于引用計數機制，其成員變量也必須遞歸地遵循引用計數機制。因為成員變量實際都是一枚枚對象指針，很可能是與其它對象共享同一個對象（指針都指向同一塊內存），引用計數機制正是適合用于支持這種“共享”內存的管理。需要特別說明，如果可以像C++那樣創建一個對象變量做成員變量，那么該成員變量會被存儲在該對象所在的一塊連續內存塊，該對象銷毀時能夠自動把成員變量的占有的內存塊全部釋放收回，這與引用計數的機制并不太符合，所以，在Objective-C中對象變量不被支持也進一步得到理解。
/* 上圖的接口（方法）是Objective-C中內存管理相關的接口 （方法）*/
Runtime（component）譯名一般稱為運行期組件，一個純C語言寫成的基礎庫(lib)，Objective-C編寫出來的程序必須得到Runtime的運行才能正常work，在Java、PHP或者Flash之類的編程語言當中，大家對于Runtime并不會太陌生，Objective-C的Runtime其實也是一回事。正是Runtime實現了Objective-C許多的特性，Objective-C面向對象、消息派發、動態綁定和內存管理都與Runtime的息息相關。那么，在Objective-C當中，對象、類、函數（方法）都是如何被構造并發揮作用的？前文提及，面向對象中的類，被看作抽象了的對象，Runtime也是秉持這一理念。Runtime是純C寫成，用struct結構體來描述對象（實體對象）和類（抽象對象）。
對象的struct比較簡單，用*id作為結構體objc_object的指針別名，***struct成員isa是Class類型的指針變量，正是該變量確定了對象所屬的類。Class類型也是struct，是結構體objc_class的指針別名，用于描述類構成的struct，***成員isa也是Class類型的指針變量（由兩個結構體的***成員均為Class類型的指針變量的設計使得我們能進一步體會到Runtime中，類的確有著和對象相同的看待），類的isa會指向稱之為metaclass（元類）的struct，metaclass抽象了類的特性，metaclass的***成員自然也是isa的Class類型的指針變量，不同的是元類的isa最終指向的是它自身，由此我們可以觀察到，類struct是一種遞歸嵌套的設計，它正體現了面向對象***抽象的理念，最終實現上指向自己則是實際工程處理的需要。一般我們還認為objc_class這個struct存放類的metadata（元數據），例如類的實例方法、類的實例變量以及類的超類指針等。
Runtime還允許我們通過標準的接口（C函數）對所有Objective-C類的變量、方法、屬性以及協議等等作查詢和動態擴展，從而達到我們豐富項目中語言和類庫特性的目標。
/* 上圖的通過標準的Runtime API（C函數）打印UIKit中UIView的所有變量、屬性以及方法*/
Runtime的另外一個重要的特性實現即為消息派發，objc_msgSend是消息派發最核心最基礎的入口函數，除此之外還有objc_msgsend_stret，objc_msgSend_fpret，objc_msgSendSuper等函數，然而它們的重要性和作用遠不及objc_msgSend。objc_msgSend函數會依據receiver和selector的來調用適當的方法。為了完成此操作，該函數需要在recevier所屬的類中搜尋其“方法列表”，如果能找到與selector字符串名稱相符的方法，就跳轉至該方法。若是找不到，那就沿著繼承體系繼續向上查找，等找到合適的方法之后再跳轉。如果最終還是找不到相符的方法，那就執行“消息轉發”操作。由此，我們可以看到，調用一個方法似乎需要相當的步驟。每一個步驟都是開銷，是否會導致Objective-C有性能問題？所幸obj_msgSend會將匹配到得結果緩存在“快速映射表”（fast map），每個類都有這樣一塊緩存，若是后面還需要向該類發送和相同的selector消息，執行起來將會快許多。當然，這種“快速執行路徑”（fast path）還是不如“靜態綁定函數調用”（statically bound function call）那樣快，不過通過匯編等優化技術，映射表的查詢開銷已非常小，可以說，即使相比較C++的靜態綁定，Objective-C的消息派發機制已經不是性能瓶頸所在。如果說以上的消息派發機制就是Objective-C動態綁定的全部內容，其實并不完全。當對象查詢不到相關的方法，消息無法正確回應時，還會啟動“消息轉發”機制。是的，在支持“動態增加和替換”的方法列表之外，我們還能夠提供其它的正常響應方式。消息轉發還分為幾個階段，***，先詢問receiver或者說是它所屬的類，看其是否能動態添加方法，以處理當前這個“未知選擇子”（unkonwn selector），這叫做“動態方法解析”（dynamic method resolution），Runtime會通過回調一個類方法來尋求動態添加方法的支持。如果Runtime完成動態添加方法的詢問之后，receiver仍然無法正常響應，則Runtime會繼續向receiver詢問是否有其它對象即其它receiver能處理這條消息，若返回能夠處理的對象，Runtime會把消息轉給返回的對象，消息轉發流程也就結束。若無對象返回，Runtime會把消息有關的全部細節都封裝到NSInvocation對象中，再給receiver***一次機會，令其設法解決當前還未處理的這條消息。消息轉發的流程可以歸納到以下圖表：
由圖表可以看出，receiver在每一步中均有機會處理消息，步驟越往后，處理消息累計開銷就越大。所以，***能在***步就處理完，這樣的話，Runtime還可以把方法進行緩存，在一步到位的同時進一步降低***查詢這樣的開銷。需要注意的是在***一個階段，需要由兩個接口一起完成，先要通過- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector接口返回格式化的方法對象，下一個接口- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation中傳入參數NSInvocation對象對此方法對象是有依賴，***步的NSMethodSignature對象返回nil，則消息轉發流程即告結束。
***利用消息轉發機制，我們實現一個讓NSString類支持NSArray實例方法的例子，這對于降低程序的Crash率很有幫助：
我們先實現一個方法替換的接口swizzle method，幫助我們在不需要繼承的情況下，實現對父類方法的代碼注入
通過swizzle方式（class_addMethod、class_replaceMethod、method_exchangeImplementations），在NSString類的resolveInstanceMethod:中，動態方法解析的方式注入3個NSArray的實例方法：
測試用例：
測試結果：
結尾，筆者用了很大的篇幅和代碼片段嘗試去解釋Objective-C最基本的一些概念，包括面向對象、消息派發、內存管理等等，并且也討論了這些概念在Rumtime上的實現，這當中還不包括屬性、分類、類族、協議等Objective-C中同樣重要的feature，也沒有深入闡述其中的一些編碼細節（有關編碼，通過搜索引擎，總能獲取許多令人滿意的答案）。筆者更多地是希望在有限的篇幅中幫助讀者快速理解Objective-C，理解它為什么是這樣而不是那樣，并且對于想進一步學習和使用Objective-C的開發者和工程師能有所幫助。
參考鏈接（部分）：
