面试题：Objective-C 运行时机制深入剖析

Question

深入解释 Objective-C 的运行时机制，包括类的结构、对象的本质、方法的调用过程等。举例说明如何利用运行时机制实现方法交换（Method Swizzling），以及这种技术在实际项目中的应用场景和可能带来的风险。如何通过运行时机制动态创建类和对象，并为其添加属性和方法？

Answer 1

Objective-C 的运行时机制

1. 类的结构
   • 在 Objective - C 中，类是一个 objc_class 结构体。这个结构体包含了类的元数据，如类名、父类指针、类的实例变量列表、方法列表、协议列表等。例如，一个简单的 Person 类，它的 objc_class 结构体就会包含 Person 类名、指向其父类（如 NSObject）的指针，以及 Person 类定义的实例变量（如 name、age 等）和方法（如 -(void)sayHello）相关信息。
   • 类的方法列表存储的是 objc_method 结构体，每个 objc_method 结构体包含了方法名、方法的实现（函数指针）以及方法的类型编码等信息。
2. 对象的本质
   • 对象本质上是一个指向 objc_object 结构体的指针。objc_object 结构体只有一个成员变量 isa 指针，这个指针指向对象所属的类。例如，创建一个 Person 类的实例 person，person 就是一个指向 objc_object 结构体的指针，其 isa 指针指向 Person 类的 objc_class 结构体。通过 isa 指针，对象可以找到它所属类的方法列表等元数据，从而调用相应的方法。
3. 方法的调用过程
   • 当向一个对象发送消息（调用方法）时，首先会根据对象的 isa 指针找到对应的类。
   • 在类的方法列表中查找是否有与消息对应的方法，如果找到，就直接调用该方法的实现。
   • 如果在本类中没有找到，就沿着继承链向父类查找，直到找到对应的方法或者到达根类 NSObject。如果最终都没有找到，就会进入动态方法解析阶段。
   • 在动态方法解析阶段，运行时系统会给程序一次机会，通过 + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel（实例方法）或 + (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel（类方法）方法来动态添加方法实现。如果动态方法解析没有处理，就会进入备用接收者阶段，尝试寻找其他能够处理该消息的对象。如果还是没有找到，最后就会进入消息转发阶段，程序可以通过 forwardingTargetForSelector: 等方法来处理未识别的消息，否则程序会抛出 unrecognized selector sent to instance 异常。

方法交换（Method Swizzling）

1. 实现方法
   • 可以使用 class_getInstanceMethod 函数获取类的实例方法，使用 method_exchangeImplementations 函数交换两个方法的实现。例如：

#import <objc/runtime.h>

@implementation MyClass

+ (void)load {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        Class class = [self class];
        
        SEL originalSelector = @selector(originalMethod);
        SEL swizzledSelector = @selector(swizzledMethod);
        
        Method originalMethod = class_getInstanceMethod(class, originalSelector);
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(class, swizzledSelector);
        
        BOOL didAddMethod =
        class_addMethod(class,
                        originalSelector,
                        method_getImplementation(swizzledMethod),
                        method_getTypeEncoding(swizzledMethod));
        
        if (didAddMethod) {
            class_replaceMethod(class,
                                swizzledSelector,
                                method_getImplementation(originalMethod),
                                method_getTypeEncoding(originalMethod));
        } else {
            method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
        }
    });
}

- (void)originalMethod {
    NSLog(@"Original method called");
}

- (void)swizzledMethod {
    NSLog(@"Swizzled method called");
    [self swizzledMethod];
}

@end

2. 应用场景
   • 日志记录：可以在系统自带的方法（如 UIViewController 的 viewDidLoad）中插入日志记录代码，通过方法交换，在原方法执行前后添加日志输出，方便调试和分析程序运行流程。
   • 性能优化：在一些频繁调用的系统方法（如 NSArray 的 objectAtIndex:）中，通过方法交换添加性能监测代码，统计方法调用的耗时等，从而找出性能瓶颈。
3. 可能带来的风险
   • 稳定性问题：如果交换的方法在不同的库或框架中有依赖关系，可能会导致不可预见的错误。例如，某个库依赖于 UIViewController 的 viewDidLoad 方法的原始实现，而方法交换改变了其行为，可能会使该库功能异常。
   • 代码维护困难：方法交换会改变原有方法的行为，当项目规模较大时，可能会使代码逻辑变得复杂，难以理解和维护。特别是当多个地方进行方法交换且相互影响时，调试和排查问题会变得非常困难。

动态创建类和对象，并添加属性和方法

1. 动态创建类
   • 使用 objc_allocateClassPair 函数可以动态创建一个类。例如：

#import <objc/runtime.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 创建一个新类
        Class newClass = objc_allocateClassPair([NSObject class], "MyDynamicClass", 0);
        if (newClass) {
            // 注册类
            objc_registerClassPair(newClass);
        }
    }
    return 0;
}

2. 添加属性
   • 使用 class_addIvar 函数可以为动态创建的类添加实例变量（属性）。例如：

#import <objc/runtime.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Class newClass = objc_allocateClassPair([NSObject class], "MyDynamicClass", 0);
        if (newClass) {
            // 添加一个名为 "name" 的属性，类型为 char *
            class_addIvar(newClass, "name", sizeof(char *), log2(sizeof(char *)), @encode(char *));
            objc_registerClassPair(newClass);
        }
    }
    return 0;
}

3. 添加方法
   • 使用 class_addMethod 函数可以为动态创建的类添加方法。例如：

#import <objc/runtime.h>

void sayHello(id self, SEL _cmd) {
    NSLog(@"Hello from dynamic method");
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Class newClass = objc_allocateClassPair([NSObject class], "MyDynamicClass", 0);
        if (newClass) {
            class_addIvar(newClass, "name", sizeof(char *), log2(sizeof(char *)), @encode(char *));
            // 添加一个名为 "sayHello" 的方法
            class_addMethod(newClass, @selector(sayHello), (IMP)sayHello, "v@:");
            objc_registerClassPair(newClass);
            
            id instance = [[newClass alloc] init];
            [instance performSelector:@selector(sayHello)];
        }
    }
    return 0;
}

通过上述方式，可以利用 Objective - C 的运行时机制动态创建类和对象，并为其添加属性和方法。