在IOS开发和学习过程中，我们经常会接触到一个词： Runtime 。很多开发者对之既熟悉又陌生，基本都是浅尝辄止，达不到灵活使用的水平（话说开发中也确实不经常用。。）本文和大家一起研究一下，Runtime到底是什么，还有他的一些应用场景，毕竟Runtime是OC动态特性的核心，熟练掌握它可以帮助我们更好的控制类的属性及方法，编写出更高效的代码。
一、什么是Runtime
不管你之前如何理解的Runtime，先把他扔一边，我们从头梳理一下：
1、有一种大气而准确的说法 ：
Objective-C是C语言的扩展，并加入了面向对象特性和Smalltalk式的消息传递机制。OC中的Runtime实现了将C语言转化为面向对象语言的作用，实际上我们的每一条OC代码的执行都会转换为Runtime的函数调用。Runtime是OC底层的实现，其函数的调用是高效的，基于Runtime的代码编写也是高效的！
2、核心：
是一个用C和汇编语言写的Runtime库（开源），这个库所做的事情就是加载类信息，进行方法的分发和转发，正是这个库赋予了Objective-C动态特性。
3、所谓的“动态特性” ：
（1）我们比较下C++ 和OC，C++没有动态特性，编译时直接将代码转换为机器语言，而OC是在运行的时候，通过Runtime把程序转为可令计算机读懂的语言。两者都是对C进行了面向对象的扩展，但是实现机制不同。
（2）虽然RunTime赋予了OC动态特性，使得开发和使用变得相当灵活，但是归根结底OC还是一种编译型的语言，其具有一定的动态性，但是其动态特性也比不上JavaScript这种解释型的语言。
4、Runtime 其实有两个版本（也就听听。。）:
（1）“Modern” 和 “Legacy”。我们现在用的 Objective-C 2.0 采用的是现行(Modern)版的 Runtime 系统，只能运行在 iOS 和 OS X 10.5 之后的64位程序中。而OS X较老的32位程序仍采用 Objective-C 1中得(早期) Legacy 版本的 Runtime 系统。这两个版本最大的区别在于当你更改一个类的实例变量的布局时，在早期版本中你需要重新编译它的子类，而现行版本就不需要。
（2）苹果开源了Runtime库的代码，同时GNU也维护着一个开源的版本，这两个版本之间都在努力的保持一致。
5、常见的简单使用场景，后面详细罗列：
（1）动态的创建、改变类
（2）动态的创建、改变、遍历属性
（3）动态的创建、改变、交互、遍历方法
二、OC中的对象模型
真正开始了解Runtime，有个基础工作需要做，就是我们要重温一下OC的对象和类的结构
1、打开<objc/objc.h>看看objc_object的定义 （截图看起来比较清晰，呵呵）
总结一下上面的：
（1）常用的id类型实际上是一个指向objc_object（实例对象）结构体的指针，id通常指代一个对象，也就是说OC对象其实就一个指向objc_object结构体的指针
（2）看objc_object结构体定义，得知其结构体内有一个类型为Class的字段isa，这就是常说的isa指针了。
（3）Class声明为一个指向objc_class的指针
关于 SEL、IMP的补充
（1）SEL是selector在Objective-C中的表示类型。selector可以理解为区别“方法”的ID。
typedef struct objc_selector *SEL;
struct objc_selector {
char *name; OBJC2_UNAVAILABLE;// 名称
char *types; OBJC2_UNAVAILABLE;// 类型
};
name和types都是char类型。
（2）IMP是“implementation”的缩写，它是由编译器生成的一个函数指针。当你发起一个消息后，这个函数指针决定了最终执行哪段代码。
2、接下来打开<objc/runtime.h>，看看objc_class的定义
研究一下objc_class中的几个字段：
（1）isa：这里的isa指针同样是一个指向objc_class（类对象）的指针，表明该Class的类型，这里的isa指针指向的就是常说的meta-class（元类）了。不难看出，类本身也是一个对象。同样的，元类也是一个对象，为了设计上的完整，元类的isa指针都会指向一个root metaclass（根元类）。根元类本身的isa指针指向自己，这样就形成了一个闭环。
（2）super_class：这个指针就是指向该class的super class，即指向父类，如果该类已经是最顶层的根类(如NSObject或NSProxy)，则super_class为NULL。
（3）cache：用于缓存最近使用的方法。消息发送时，系统会根据isa指针去查找能够响应这个消息的对象。在实际使用中，这个对象只有一部分方法是常用的，如果每次消息来时，都是在methodLists中遍历一遍，性能一定很差。这时，在每次调用过一个方法后，这个方法就会被缓存到cache列表中，下次调用的时候runtime就会优先去cache中查找，如果cache没有，才去methodLists中查找方法。这样，对于那些经常用到的方法的调用，提高了调用的效率。
（4）version：我们可以使用这个字段来提供类的版本信息。这对于对象的序列化非常有用，它可以让我们识别出不同类定义版本中实例变量布局的改变（不太明白的作用。。。）
（5）objc_method_list：方法链表中存放的是该类的成员方法(-方法)，类方法(+方法)存在meta-class的objc_method_list链表中（就是元类的“实例方法”）。
关于结构体指针 Method、Ivar的补充
（1）Method代表类中的某个方法的类型
声明： typedef struct objc_method *Method;
objc_method的定义如下：
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法名
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法类型
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法实现
}
方法名method_name类型为SEL。
方法类型method_types是一个char指针，存储着方法的参数类型和返回值类型。
方法实现method_imp的类型为IMP
（2）Ivar代表类中实例变量的类型
声明：typedef struct objc_ivar *Ivar
objc_ivar的定义如下：
struct objc_ivar {
char *ivar_name OBJC2_UNAVAILABLE; // 变量名
char *ivar_type OBJC2_UNAVAILABLE; // 变量类型
int ivar_offset OBJC2_UNAVAILABLE; // 基地址偏移字节
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE; // 占用空间
#endif
}
3、经典配图展示：oc对象继承模型
（1）上图的几个注意点
- 注意竖直方向和虚线方向代表的不同意义
- meta-class的isa指针指向的是root meta-class
- root meta-class的isa指针指向的是其本身
- root meta-class的super class指向的是root class（这里也是不明白意义所在。。）
- root class的super class 指向的是nil
（2）举个方法查找过程的例子：
调用respondsToSelector: 的时候，实例对象只需要根据其isa指针，找到其所属的class，然后遍历其methodLists，如果没有，那么根据这个类的super_class找到其父类，再看其父类是否能相应这个方法就可以了，直到super_class为nil时，就无法响应这个方法了，return NO。
（3）调用类方法的不同：
当我们使用类名调用类方法(+方法)时，只需要根据class的isa指针，找到其meta-class，然后通过meta-class的methodLists找到相应的方法既可（“类”是“元类”的对象）。
三、消息机制
1、OC中调用一个方法的本质就是在给对象发送消息，比如初始化一个NSObject对象：
NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
事实上，在编译时这句话会翻译成一个C的函数调用，即：
objc_msgSend(objc_msgSend([NSObject?class],@selector(alloc)),@selector(init));
看看官方文档：
2、关于消息执行的时机问题：
（1）思考：就如上文所述，OC的代码翻译成C的函数调用之后，就是把OC代码转换成C代码了，那OC的动态特性体现在哪里？不就和C的静态特性一样了么？
（2）回答：对于C语言，函数的调用在编译的时候就会去决定调用哪个函数。而OC是一种动态语言，它会尽可能的把代码执行的决策从编译和链接的时候，推迟到运行时。给一个对象发送的一个消息并不会立即执行，而是在运行的时候再去寻找他对应的实现。这样就可以把消息转发给你想要的对象，或者随意交换一个方法的实现之类的。
3、所有使用objc_msgSend函数，会执行以下步骤（也体现了objc_cache的作用）
（1）通过对象（类）的isa指针去找到他的class
（2）在class的method list 找到该消息的实现
（3）如果class中没有该消息的实现，就继续到它的super_class中去找
（4）一旦找到这个这个消息的实现，那么就去执行他的IMP（函数指针，代码所在空间）
4、常见的函数、头文件
（1） #import <objc/runtime.h> : 主要包括 成员变量、类、方法
- class_copyIvarList : 获得某个类内部的所有成员变量
- class_copyMethodList : 获得某个类内部的所有方法
- class_getInstanceMethod : 获得某个实例方法（对象方法，减号-开头）
- class_getClassMethod : 获得某个类方法（加号+开头）
- class_addMethod ： 添加方法
- class_addProperty ： 为类添加属性
- class_respondsToSelector： 类实例是否响应指定的selector
- class_setSuperclass： 调整一个类的继承关系
- class_replaceProperty：替换类的属性
- class_replaceMethod：替换类的方法
- ivar_getTypeEncoding ： 获得成员变量的类型
- ivar_getName : 获得成员变量名
- method_exchangeImplementations : 交换2个方法的具体实现
（2） #import <objc/message.h> : 消息机制
- objc_msgSend(....)
四、RunTime的使用实例
RunTime可以很灵活的实现改变系统的方法及属性的效果，灵活度之大以至于也造成了一些隐患 ——— 破坏了系统的封装及代码的可读性，所以大家还是谨慎使用，也不要在开发过程中给队友挖坑（不要问我怎么知道的。。。）
下面搜罗了一些常用的场景：
1、动态创建一个类
#import <objc/runtime.h>
// 自定义一个方法
void reportFunction (id self, SEL _cmd) {
NSLog(@"This object is %p", self);
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {?? ? ? ?
// 1.动态创建对象 创建一个Person 继承自 NSObject类
Class newClass = objc_allocateClassPair([NSObject class], “Person”, 0);?
// 为该类增加名为Report的方法
class_addMethod(newClass, @selector(report), (IMP)reportFunction, @"[email protected]:");?? ? ? ?
// 注册该类
objc_registerClassPair(newClass);
// 创建一个 Student 类的实例
instantOfNewClass = [[newClass alloc] init];
// 调用方法
[instantOfNewClass report];
}
return 0;
}
2、关联对象（分类中动态添加成员变量）
（1）对象在内存中的排布可以看成是一个结构体，该结构体的大小并不能动态的变化，所以无法在运行时动态的给对象增加成员变量，但是我们可以通过关联对象的方法变相的给对象增加一个成员变量。
（2）比如，我们想给NSObject新增一个关联对象（就是添加成员变量）：
创建一个NSObject的分类AssociatedObject，并声明一个新属性
@interface NSObject (AssociatedObject)
@property (nonatomic, strong) id associatedObject;?
@end
在NSObject+AssociatedObject.m文件里面进行关联
#import "NSObject+AssociatedObject.h"
#import <objc/runtime.h>
@implementation NSObject (AssociatedObject)
@dynamic associatedObject;
- (void)setAssociatedObject:(id)object {
// 设置关联对象
objc_setAssociatedObject(self, @selector(associatedObject), object, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}
- (id)associatedObject {
// 得到关联对象
return objc_getAssociatedObject(self, @selector(associatedObject));
}
@end
（3）我们可以通过上面的方法，给类动态的添加属性，不过我们更常用的是给一个类动态的添加block回调（想让这个类的实例实现什么业务逻辑，都可以通过赋值block，然后调用，来灵活的实现，使用起来也很方便，和添加属性类似）。
3、交换方法（可更改系统方法）
我们在开发过程中会遇到一种常见的错误：给数组元素赋值nil，系统会崩溃。下面我们参照这个案例，解释下runtime交换方法的实现
（1）先创建一个数组
NSMutableArray *arrayM = [NSMutableArray array];
[arrayM addObject:@"1111"];
[arrayM addObject:@"2222"];
[arrayM addObject:nil]; //这里会造成程序崩溃
[arrayM addObject:@"33333"];
（2）交换方法，将系统的addObject和自定义的方法进行交换，我们先写一个NSMutableArray的分类，给其添加新的方法，然后在其中实现与系统方法交换。注意：“交换”不等同于“替换”
（3）这里有一个坑，addObject 实际上是 调用 insertObject ：atIndex：方法， 并且在运行过程中，可以看到这个方法是_NSArrayM的方法（不是NSMutableArray的方法，这里有点像KVO的情况），所以我们要拿到_NSArrayM类，然后和它交换方法。可以参照下面的代码：NSClassFromString(@"__NSArrayM”)就是动态过程中获取这个类。
（4）代码实现
@implementation NSMutableArray (XL)
+ (void)initialize //补充下这个方法只执行一次，类比load方法都是执行一次，但是后者编译完就会执行
{
//当前类被初始化的时候调用
Method m1 = class_getInstanceMethod(NSClassFromString(@"__NSArrayM"), @selector(addObject:));
Method m2 = class_getInstanceMethod(NSClassFromString(@"__NSArrayM"), @selector(new_AddObject:));
//下面这样写也可以
//Method m2 = class_getInstanceMethod([NSMutableArray class], @selector(new_AddObject:));
method_exchangeImplementations(m1, m2);
}
- (void)new_AddObject:(id)objc
{
if (objc == nil) {
//这里的方法已经通过交换变成 addObject：
[self new_AddObject:@"此处为空"];
}else{
[self new_AddObject:objc];
}
}
@end
4、KVO的底层实现（自定义KVO）
（1）KVO的底层实现也是利用了RunTime机制，简单点说，KVO机制就是在运行时，动态派生出被检测对象的子类（NSKVONotifying_XXX），将被观察对象的isa指向该子类，然后在新子类中重写观察属性的set方法，接着在set方法里调用观察者的observeValueForKeyPath方法实现的监听机制（晕了吧，这就对了。。。看例子）
（2）给出示例（Person类就不写了，就一个属性age），在控制器中进行监测，下面代码执行结束，会显示监听到的age的变化
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad
{
[super viewDidLoad];
Person *p = [[HMPerson alloc] init];
p.age = 20;
self.p = p;
//添加观察者
[p addObserver:self forKeyPath:@"age" options:NSKeyValueObservingOptionOld | NSKeyValueObservingOptionNew context:nil];
//属性改变了！
p.age = 30;
}
- (void)dealloc
{
[self.p removeObserver:self forKeyPath:@"age"];
}
- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary *)change context:(void *)context
{
NSLog(@"%@对象的%@属性改变了：%@", object, keyPath, change);
}
@end
（3）分析上面的例子，系统在运行时动态的进行了四项操作：
<1> 生成了Person的子类 NSKVONotifying_Person
<2> 在该子类中重写了age的set方法
<3> 调用了观察者的 - (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary *)change context:(void *)context 方法
<4> 在p.age = 30 的时候，修改了对象中的isa指针，指向子类NSKVONotifying_Person，这样，在调用set方法的时候就会去子类的空间中寻找方法的地址并调用（很关键的一步，大家可以打断点验证）
（4）模拟KVO过程，我们手动创建一个子类：NSKVONotifying_Person，注意，此时运行会报出“坏内存”的错误，因为你的创建的类和系统自动生成的子类重名了（这也是一种验证KVO原理的方式）
#import "NSKVONotifying_Person.h"
@implementation NSKVONotifying_HMPerson
-(void)setAge:(int)age
{
//必须先调用父类的setAge方法，保证父类的set方法正常运行
[super setAge:age];
//伪代码，调用监听者的方法，实现监听到属性改变后的逻辑操作，并且传递参数
[监听者 observeValueForKeyPath:@"age" ofObject:super change:@{ 监听属性的键值 } context:nil];
}
@end
5、模型归档（遍历成员属性的应用）
（1）Runtime可以动态获取成员属性名列表。
（2）下面代码中，Ivar表示的就是成员属性，ivars是指向属性的指针或者说地址（也可以理解为数组，但不是数组）。
（3）归档的实现可能会遇到对象中有很多属性，逐个手动去匹配归档哪些属性很麻烦，所以使用运行时，通过循环实现。
（4）代码示例：对于一个有很多属性的Person类，遵守了NSCoding协议之后，我们可以利用RunTime遍历模型对象的所有属性进行归档，关键代码如下：
// 利用runtime机制进行属性的归档接档
- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder {
unsigned int count = 0;
Ivar *ivars = class_copyIvarList([Person class], &count);
for (int i = 0; i<count; i++) {
// 取出i位置对应的成员变量
Ivar ivar = ivars[i];
// 查看成员变量
const char *name = ivar_getName(ivar);
// 归档
NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name];
//KVC 获得对象属性值
id value = [self valueForKey:key];
[aCoder encodeObject:value forKey:key];
}
// 如果函数名中包含了copy\new\retain\create等字眼，那么这个函数返回的数据就需要手动释放
free(ivars);
}
- (id)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder {
self = [super init];
if (self) {
unsigned int count = 0;
Ivar *ivars = class_copyIvarList([Person class], &count);
for (int i = 0; i<count; i++) {
// 取出i位置对应的成员变量
Ivar ivar = ivars[i];
// 查看成员变量
const char *name = ivar_getName(ivar);
// 归档
NSString *key = [NSString stringWithUTF8String:name];
id value = [aDecoder decodeObjectForKey:key];
// 设置到成员变量身上
[self setValue:value forKey:key];
}
free(ivars);
}
return self;
}
6、字典和对象模型之间的转换，例如MJExtension
（1）现在流行的很多字典转模型的框架，基本上都是利用Runtime原理实现（效率高）：遍历模型属性列表—>根据获得的属性名作为key去字典中取出value —>然后用KVC给模型对象属性赋值
（2）这只是简单原理，框架中还包含了很多情况的判断，比如模型套模型的情况，这就需要检测成员属性的类型是否是对象类型，那就继续转模型。
（3）一个简单的示例代码
-(void)modelToolWithDict:(NSDictionary *)dict andModel:(Model*)model
{
// Ivar : 成员变量
unsigned int count = 0;
// 获得所有的成员变量
Ivar *ivars = class_copyIvarList([HMPerson class], &count);
for (int i = 0; i<count; i++) {
// 取得i位置的成员变量
Ivar ivar = ivars[i];
const char *name = ivar_getName(ivar);
// 获得成员变量的类型，如果需要根据类型判断是否有模型嵌套，可以通过这个变量
const char *type = ivar_getTypeEncoding(ivar);
//获得字典中的值
id value = dict[[NSString stringWithUTF8String:name]];
//使用KVC给模型赋值（KVC底层也是Runtime）
[model setValue:value forKeyPath:[NSString stringWithUTF8String:name]];
NSLog(@"%d %s %s", i, name, type);
}
}
7、避免数组越界
开发中，数组在访问时如果越界会造成崩溃，为了避免这种潜在的崩溃风险，我们可以采用多种方法“强制”它不越界，比如重写get方法进行内部判断，这里我们用Runtime来做一个比较彻底的解决。
（1）越界的情况：names数组有10个元素， 调用 self.names[10] ，崩溃 ；
这行代码的本质是： [self.names objectAtIndex:10]，所以，我们用运行时进行这个方法的交换。
（2）添加如下分类，后面出现数组访问越界的情况，将返回nil；
（3）因为是在load方法中实现的交换，所以，程序启动内存中加载了这个分类后，自动执行交换，不需要导入任何头文件了。
（4）核心代码
@implementation NSArray(Extension)
+ (void)load
{
Method otherMehtod = class_getInstanceMethod(class, otherSelector);
Method originMehtod = class_getInstanceMethod(class, originSelector);
// 交换2个方法的实现
method_exchangeImplementations(otherMehtod, originMehtod);
}
- (id)new_ObjectAtIndex:(NSUInteger)index
{
if (index < self.count) {
return [self new_ObjectAtIndex:index];
} else {
return nil;
}
}
@end
五、总结
1、Runtime是OC代码可以编译运行的关键，本身是纯C的函数库，它的存在赋予了OC动态特性。
2、Runtime提供的一系列方法，可以在程序运行时操作类以及它的方法和属性，使用Runtime进行代码构建，效率较高。
3、Runtime是底层运行机制，实际开发中我们使用Runtime的时候并不多，但是关键时刻，还是能很好的解决很多问题。
4、熟悉Runtime需要了解几项东西：
（1）OC的对象模型
（2）isa指针
（3）消息机制
5、Runtime水很深，各位请根据自己的水性选择区域。。。。。
参考：http://honglu.me/2014/12/29/浅谈OC运行时-RunTime/
https://www.ianisme.com/ios/2019.html?sukey=ecafc0a7cc4a741bfade6848774c88b7eeefdecd843c4a6c6f7da7fc65d2ed4ef4a188f7f68ab13e9ee80007d7ffb919