面试题：Objective-C多继承模拟与协议多态性的性能优化

Question

在大型Objective-C项目中，广泛使用协议来模拟多继承并实现多态性。请深入分析这种做法可能带来的性能瓶颈，如动态方法解析、消息转发等方面的性能影响。提出至少三种针对这些性能问题的优化策略，并结合底层运行时机制进行详细解释。

Answer 1

性能瓶颈分析

1. 动态方法解析性能影响：
   • 在Objective - C中，当调用一个对象上不存在的方法时，会启动动态方法解析。在大型项目中频繁使用协议模拟多继承，可能会导致大量方法调用触发动态方法解析。因为协议方法不一定在类的编译期就确定实现，运行时需要动态查找并绑定方法实现，这涉及到在运行时的方法列表中进行搜索，增加了额外的时间开销。
   • 例如，假设有一个类遵循多个协议，每个协议都有一些方法。当调用其中一个协议方法时，如果该类没有直接实现，就需要动态解析，从相关的类簇或其他可能提供实现的地方查找方法，这会增加调用方法的延迟。
2. 消息转发性能影响：
   • 如果动态方法解析没有找到对应的方法实现，就会进入消息转发阶段。消息转发分为备用接收者和完整转发两个阶段。在大型项目中，由于协议的广泛使用，可能会频繁触发消息转发。
   • 备用接收者阶段，系统会尝试寻找其他对象来处理这个消息。这需要遍历继承体系等查找备用接收者，增加了时间复杂度。而完整转发阶段，需要创建一个NSInvocation对象，封装消息的所有信息，包括方法选择器、参数等，然后再寻找合适的对象来处理这个消息，这个过程涉及到内存分配和复杂的操作，严重影响性能。例如，每次完整转发都要创建和配置NSInvocation对象，在高频率调用场景下，会造成显著的性能开销。

优化策略及底层运行时机制解释

1. 提前实现协议方法：
   • 策略：在类的设计阶段，尽量提前为协议中的方法提供实现，避免在运行时触发动态方法解析和消息转发。
   • 底层运行时机制解释：在Objective - C运行时，方法调用是基于方法选择器（SEL）在类的方法列表中查找对应的IMP（函数指针）。如果类在编译期就实现了协议方法，那么在调用时可以直接根据方法选择器快速找到对应的IMP并执行，跳过了动态方法解析和消息转发的复杂过程，大大提高了方法调用的效率。例如，一个类遵循了UITableViewDataSource协议，在类定义时就实现了tableView:numberOfRowsInSection:等方法，调用这些方法时就直接执行实现代码，而不会触发动态查找。
2. 使用类扩展（Class Extension）：
   • 策略：通过类扩展为类添加私有方法来实现协议方法。类扩展可以在编译期将方法声明和实现关联起来，避免运行时的动态查找。
   • 底层运行时机制解释：类扩展是在编译期将方法声明和实现合并到类的结构中。运行时，类的方法列表包含了类扩展中实现的方法，调用协议方法时，直接在类的方法列表中根据方法选择器查找对应的IMP，无需经过动态方法解析和消息转发。例如，在MyViewController.m文件中，通过类扩展为MyViewController类实现MyProtocol协议的方法，运行时这些方法就像类的普通方法一样直接被调用。
3. 缓存方法调用：
   • 策略：对于频繁调用的协议方法，可以在类中缓存方法的IMP。例如，在类的初始化方法中获取协议方法的IMP并保存，后续调用时直接使用缓存的IMP。
   • 底层运行时机制解释：运行时通过class_getInstanceMethod等函数可以获取类中某个方法的IMP。缓存IMP后，调用协议方法时，直接使用缓存的IMP，绕过了运行时动态查找方法IMP的过程。这减少了动态方法解析和消息转发的可能性，提高了性能。例如，对于一个经常调用的协议方法updateData，在类的init方法中获取其IMP并保存为成员变量，每次调用updateData时直接通过缓存的IMP调用，避免了重复的动态查找。