本文是我在 Alt Tech Talks: London 上關于 Objective-C runtime的演講總結，如果你對Objective-C runtime感興趣的話，應該看看這篇文章，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Objective-C語言的C庫。對象可以用C語言中的結構體表示，而方法（methods）可以用C函數實現。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。這些結構體和函數被runtime函數封裝后，Objective-C程序員可以在程序運行時創建，檢 查，修改類，對象和它們的方法。

除了封裝，Objective-C runtime庫也負責找出方法的最終執行代碼。當程序執行[object doSomething]時，不會直接找到方法并調用。相反，一條消息（message）會發送給對象（在這兒，我們通常叫它接收者）。runtime庫 給次機會讓對象根據消息決定該作出什么樣的反應。Alan Kay反復強調消息傳遞（message-passing）是Smalltalk最重要的部分（Objective-C根據Smalltalk發展而來），而不是對象： 

由于以前關于這個話題我創造了“對象”這個詞，現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的核心內容（現在尚有一些內容還沒有全部完成）。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 統的關鍵是設計它各個模塊之間的通信方式，而不是關注它的內部屬性和行為。 

實際上，在一篇介紹Smalltalk虛擬機的文章里，這門編程技術被叫做消息傳遞或者消息傳送范式。“面向對象”通常用來描述內存管理系統。

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方式（例 如，同樣是發送消息，Apple的runtime用一步完成，而GNU runtime會先查詢這些消息，然后執行查找到的函數分兩步完成）。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發布時的版本）。 

在那次演講中，我決定研究runtime庫某些領域的功能。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。

動態創建類

如何實現Key-Value Observing?

 當我在準備這次演講時，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方式。 

KVO實現觀察者模式的關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用KVO的回調方法。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觀察者模式，比如創建和注冊 “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，然后調用block形式的回調函數，將這兩個值告訴觀察者。代碼中根據我們的意愿，這個block可以異步調用。 

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變為方法的方式改變，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致runtime無法找到對應的變量。 

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，你會發現ObserverPattern 還是有點小毛病的。由于觀察者回調是異步調用的，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分被觀察屬性的最終狀態是什么，回調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中同步調用回調其實是個有用的特色，并非bug。 

創建對象

那些額外的字節都是干啥用的？

當你創建一個 Objective-C對象時，runtime會在實例變量存儲區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組來說明一下索引ivars的用 處。 

讓我們創建一個數組！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。 當使用+alloc方法返回對象時，一般情況下已經為這個對象分配了所有的內存，但是在這個例子中，在+alloc時并不知道需要多大的內存空間。只有當 調用了 -initWithObjects:count:以后，才能根據數組內對象數量計算出這個數組需要多大的內存，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組對象。 

或許你會問為什么我們要用類簇把事情搞那么復雜，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。從數組的設計上我們可以看出，每次數組指針被訪問時，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存意味著找到其中一個就是找到了另外一個。 

消息派發

消息如何轉發？

Objective-C其中一個強大特性是對象不需要實現某個方法，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，或者將這些消息轉發給其他對象，或者發出異常，亦或做一些其他事情。但是這個特性的某些方面曾經一直困擾我：消息轉發（message forwarding）會調用 -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，發現答案并不是我想的那樣，runtime不需要知道Foundation。runtime會讓程序定義轉發函數 （forwarding function），當 objc_msgSend()無法找到該selector的實現時，那個轉發函數就會被調用。程序一啟動，CoreFoundation就將 -forwardInvocation:定義成轉發函數。 

讓我們來創建一個Ruby！ 當然并不是真的實現完整的Ruby，Ruby有一個叫做#method_missing的函數，當對象收到一個它沒有實現的消息時，這個函數就會被調到， 這和Smalltalk的做法比較相似。使用objc_setForwardHandler，我們也能在Objective-C的類中實現類似Ruby的 methodMissing:方法。 

總結

Objective-C runtime可以有效的幫助我們為程序增加很多動態的行為。一些開發者除了使用method swizzling幫助調試程序，并不會在實際程序中使用它，但runtime編程的確有很多功能，它應該成為實際應用代碼編寫的重要工具。

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