面试题：Objective-C运行时机制在实际开发中的深度应用

Question

详细说明Objective-C运行时机制（runtime）的核心概念，如类对象、元类、方法列表等。并举例阐述runtime在诸如消息转发、动态方法解析、关联对象等高级特性中的应用原理及实际开发场景。

Answer 1

Objective-C运行时机制核心概念

1. 类对象（Class Object）：
   • 每个类在运行时都有一个对应的类对象。类对象存储了该类的相关信息，比如类名、超类（superclass）指针、实例变量的布局信息、方法列表等。例如，对于一个Person类，运行时会创建一个代表Person类的类对象。通过[Person class]可以获取到这个类对象。
   • 类对象是类的实例的模板，实例通过类对象来分配内存、调用方法等。
2. 元类（Meta - Class）：
   • 元类也是一种类对象，它存储了类方法（以+开头的方法）的列表。每个类都有一个与之关联的元类。元类的超类是其类的超类的元类（根元类的超类是NSObject的元类，NSObject元类的超类是NSObject本身）。
   • 类方法实际上是存储在元类的方法列表中。当调用一个类方法时，比如[Person someClassMethod]，消息是发送给Person类的元类。
3. 方法列表（Method List）：
   • 类对象和元类都有方法列表。类对象的方法列表存储实例方法（以-开头的方法），元类的方法列表存储类方法。方法列表中的每个方法由一个SEL（选择器）和一个IMP（实现）组成。SEL是方法的唯一标识符，IMP是方法实际的实现代码的指针。例如，对于Person类的- (void)sayHello方法，在类对象的方法列表中，会有一个对应的SEL为@selector(sayHello)，以及指向sayHello方法实现代码的IMP。

runtime在高级特性中的应用原理及实际开发场景

1. 消息转发（Message Forwarding）：
   • 应用原理：当向一个对象发送一条它无法识别的消息时，runtime会启动消息转发机制。首先是动态方法解析，runtime会询问类是否可以动态添加一个处理该消息的方法（+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel用于实例方法，+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel用于类方法）。如果动态方法解析没有处理该消息，接着进入备用接收者阶段，runtime会询问对象是否能把消息转发给其他对象处理（- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector）。如果备用接收者也没有处理，最后进入完整的消息转发阶段，runtime会创建一个NSInvocation对象，包含消息的所有信息，开发者可以在- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation方法中手动处理该消息，或者调用父类的forwardInvocation:方法继续转发。
   • 实际开发场景：在开发框架时，可能会遇到一些动态的需求，比如调用一些可能在运行时才会添加的方法。例如，在一些插件化开发中，插件可能会在运行时注册一些方法，主程序在不知道这些方法提前存在的情况下，通过消息转发机制可以动态调用这些方法。
2. 动态方法解析（Dynamic Method Resolution）：
   • 应用原理：在消息转发的第一步，runtime会调用类的+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel（实例方法）或+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel（类方法）。如果开发者在这些方法中通过class_addMethod函数动态添加了对应的方法实现，runtime就会重新尝试发送消息，此时新添加的方法就会被调用。
   • 实际开发场景：在一些动态功能扩展的场景中很有用。比如，在一个游戏开发中，游戏可能会根据玩家的操作在运行时动态添加一些特殊的技能方法，通过动态方法解析可以在运行时添加这些技能方法的实现并调用。
3. 关联对象（Associated Objects）：
   • 应用原理：runtime提供了objc_setAssociatedObject、objc_getAssociatedObject、objc_removeAssociatedObjects等函数来实现关联对象。通过这些函数，可以在运行时为一个对象动态添加额外的属性，而不需要在类的定义中声明。这些关联对象是基于runtime的散列表实现的，每个对象都有一个关联对象的列表。
   • 实际开发场景：在category（类别）中添加属性时非常有用。因为category不能直接添加实例变量，通过关联对象可以实现类似添加属性的效果。例如，在开发一个图片处理的category时，可以通过关联对象为UIImage对象添加一些自定义的属性，如图片的来源描述等，而不需要修改UIImage类的原有代码。