面试题：Objective-C类别在运行时如何加载方法

Question

请阐述Objective-C类别（Category）在运行时加载方法的具体过程，包括相关的数据结构和消息传递机制。

Answer 1

类别（Category）在运行时加载方法过程

1. 编译阶段：编译器将Category的方法、属性、协议信息等收集起来，放到一个结构体category_t中。
2. 加载阶段：运行时，Runtime系统会将Category的信息合并到类的相关数据结构中。具体来说，Category的方法会被添加到类的方法列表头部。这样做的原因是，Category通常用于为已有类添加新功能，放在头部能让新添加的方法优先被调用。
3. 消息传递阶段：当发送一个消息给对象时，Runtime会根据对象的isa指针找到对应的类。在类的方法列表中查找方法实现。由于Category的方法在方法列表头部，所以会优先查找Category中实现的方法，如果找到就执行相应的实现代码。

相关的数据结构

1. category_t：这是Category在运行时的核心数据结构，定义如下：

struct category_t {
    const char *name;
    classref_t cls;
    struct method_list_t *instanceMethods;
    struct method_list_t *classMethods;
    struct protocol_list_t *protocols;
    struct property_list_t *instanceProperties;
    // Fields below this point are not always present on disk.
    struct property_list_t *_classProperties;

    method_list_t *methodsForMeta(bool isMeta) {
        if (isMeta) return classMethods;
        else return instanceMethods;
    }

    property_list_t *propertiesForMeta(bool isMeta, struct header_info *hi);
};

其中，name是Category的名称，cls指向被扩展的类，instanceMethods和classMethods分别是实例方法列表和类方法列表，protocols是协议列表，instanceProperties是实例属性列表。 2. method_list_t：表示方法列表的数据结构，包含了一系列的method_t。

struct method_list_t {
    struct entsize_list_tt<method_t, method_list_t> entsizeAndFlags;
    unsigned int count;

    method_t *first;
};

3. method_t：代表一个方法，包含方法名、方法实现、方法类型编码等信息。

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
    struct SortBySELAddress :
        public std::binary_function<const method_t&, const method_t&, bool>
    {
        bool operator() (const method_t& lhs, const method_t& rhs) const {
            return lhs.name < rhs.name;
        }
    };
};

消息传递机制

1. 当向一个对象发送消息时，Runtime首先根据对象的isa指针找到对应的类。
2. 在类的方法列表（包括本类方法列表和Category添加到头部的方法列表）中查找与消息对应的方法实现（通过SEL查找IMP）。如果在本类中没有找到，会沿着继承体系向上查找。
3. 如果最终都没有找到方法实现，会进入动态方法解析阶段，尝试动态添加方法。若动态方法解析也无法处理，会进入备用接收者阶段，看是否有其他对象能处理该消息。若仍然无法处理，最后会进入消息转发阶段，通过完整的消息转发流程来处理消息，否则程序会崩溃。