iOS Runtime-替换方法 & 消息发送转发

2017-02-01

总概

在做公司项目过程中遇到一些需要进行替换原来方法情况。小编对 Objc 在消息发送和转发过程整理，针对在消息发送和转发在 runtime 层实现和提出的方法替换方案原理做出详细说明和记录。

下面是小编本博文的写作思路：
iOS 消息发送和转发过程流程图.png

iOS 消息发送和转发过程

想要对现有的 Method 进行替换找到比较可行的方案，其一可以从方法在执行过程中考虑。下面小编将整理的消息发送和转发的详细步骤进行整理。

Objc 的动态特性

Objc 是基于 C 和 Smalltalk 为基础实现面向对象开发的动态语言，Objc具有特色一点就是采纳了 Smalltalk 语言消息的特性，所以我们在 Objc 中经常使用 [receiver message] 来进行消息传递。Objc 的动态语言的特性可以根据 NSObject方式之一来实现交互，下面看相关 API （下面均可进行动态判断）：

+ (NSString *)description;//需要重载并为定义的类进行描述
- (BOOL)isKindOfClass:(Class)aClass;//判断是否是同种类型
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)aClass;//判断是否是一样成员
- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector;//检查对象能否向相应指定的消息
- (BOOL)conformsToProtocol:(Protocol *)aProtocol;//检查对象是否实现了指定协议类的方发
- (IMP)methodForSelector:(SEL)aSelector;//返回指定方法实现的地址

//消息发送和转发过程调用的 API
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel;
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel;
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation;

iOS 消息发送转发机制

在 Objc 使用 Foundation 中 NSObject 中实现动态特性中，上述列出消息发送和转发过程的调用的 API。在整体消息从发送转发可以分为以下三个时段：

动态解析
快速转发
慢速转发

下图是消息发送和转发过程三个时段流程，后面给出详细说明：
iOS 消息发送和转发过程流程图.png

下面是在 iOS 方法调用实现：

//未实现方法调用
[self performSelector:@selector(finishMessage)];

//消息发送和转发
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel {
    NSLog(@"do method : %@", NSStringFromSelector(_cmd));
    return [super resolveClassMethod:sel];
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    NSLog(@"do method : %@", NSStringFromSelector(_cmd));
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    NSLog(@"do method : %@", NSStringFromSelector(_cmd));
    return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}


- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    NSLog(@"do method : %@", NSStringFromSelector(_cmd));
    NSMethodSignature *methodSignature = [super methodSignatureForSelector:aSelector];
    return methodSignature;
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    NSLog(@"do method : %@", NSStringFromSelector(_cmd));
}

//打印结果：
//RuntimeDemo[13659:1331712] do method : resolveInstanceMethod:
//RuntimeDemo[13659:1331712] do method : resolveInstanceMethod:
//RuntimeDemo[13659:1331712] do method : forwardingTargetForSelector:
//RuntimeDemo[13659:1331712] do method : methodSignatureForSelector:

动态解析

如果要实现动态解析就要使用下面的方法：

1 2	+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel;//解析类方法选择子 + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel;//解析实例方法选择子

当我们在实现 [receiver message] 在没有相关实现的情况下，系统就会沿着 resolveInstanceMethod: 顺着继承向上查找相关 message 实现方法，如果没有找到相关实现就会返回 NO 进行下一步操作。在这个过程中我们可以通过动态加载的方式，实现我们预先实现的方法。

动态加载实现代码如下：

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel_isEqual(sel, @selector(finishMessage))) {
        class_addMethod([self class], @selector(finishMessage), (IMP)secondMessage, "v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

void secondMessage(id self, SEL _cmd) {
    NSLog(@"do method : %@", NSStringFromSelector(_cmd));
}

//打印的结果
RuntimeDemo[14426:1422075] do method : finishMessage

从打印的结果来看：我们通过动态加载的方式实现预先方法的调用。但是在打印中 SEL 还是原来的选择子，后面会讲解。

从上面的解决方式实现来看，严格意义上来说动态解析不是消息的转发。因为在指向过程中消息的接受的对象还是 receiver，只是把指向 message 的 IMP 的指针加入到 receiver 的方法列表。

快速转发

快速转发相当于我们在请求网页是重新定向。receiver 对象和其继承父类没有找到相应的实现方法，而把实现的转向其他的对象。

快速转发实现代码如下：

//重定向的实现类
@interface FarwardTarget : NSObject

- (void)finishMessage;

@end


@implementation FarwardTarget

- (void)finishMessage {
    NSLog(@"do method : %@", NSStringFromSelector(_cmd));
}

@end

//快速转发
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    NSLog(@"do method : %@", NSStringFromSelector(_cmd));
//    return [[FarwardTarget alloc] init];
    Class class = NSClassFromString(@"FarwardTarget");
    NSObject *object = class.new;
    if (sel_isEqual(aSelector, @selector(finishMessage))) {
        return object;
    }
    return nil;
}
//打印结果
//RuntimeDemo[15791:1601823] do method : forwardingTargetForSelector:
//RuntimeDemo[15791:1601823] do method : finishMessage

更具上面打印的结果：看出快速转发可以实现当前 receiver 方法列表找不到相关的 message 的 IMP，可以通过制定其他的对象来进行实现。

慢速转发

慢速转发过程中使用两个对象：NSMethodSignature 和 NSInvocation

NSMethodSignature: 对象定义了方法的签名，签名中包含：方法的参数和返回值。
NSInvocation: 保存了目标、选着子和参数等消息调用的必须的全部元素。

在转发过程中要是到到下面 API:

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;//在协议中实现，返回相关的方法签名
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation;//进行消息的委派
- (void)invokeWithTarget:(id)anObject;//唤醒接受者的同名方法
- (void)doesNotRecognizeSelector:(SEL)aSelector;//不能识别方法

下面先直接把慢速转发的代码列出来：

//重定向的实现类
@interface FarwardTarget : NSObject

- (void)finishMessage;

@end


@implementation FarwardTarget

- (void)finishMessage {
    NSLog(@"do method : %@", NSStringFromSelector(_cmd));
}

@end

//慢速转发实现
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    if (sel_isEqual(aSelector, @selector(finishMessage))) {
       //创建新的方法签名
        NSMethodSignature *methodSignature = [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
        return methodSignature;
    }
    return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}

- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
    NSLog(@"do method : %@", NSStringFromSelector(_cmd));
    FarwardTarget *target = [[FarwardTarget alloc] init];
    if ([target respondsToSelector:anInvocation.selector]) {
        //唤醒接受者的同名方法
        [anInvocation invokeWithTarget:target];
    }else {
        [self doesNotRecognizeSelector:anInvocation.selector];
    }
}

//打印结果：
//RuntimeDemo[16564:1706397] do method : forwardInvocation:
//RuntimeDemo[16564:1706397] do method : finishMessage

快速转发失败后，运行时系统先调用 methodSignatureForSelector: 返回一个方法签名用于创建 NSInvocation 对象，创建好后调用 forwardInvocation: 方法，在改方法中 NSInvocation 对象将调用 invokeWithTarget: 方法唤醒新接受者中的同名方法。

iOS 发送和转发小结

在消息发送和转发过程中没有发现实现 message 的 IMP 过程中三步骤中均可以实现相关的消息添加，也可以在三者中进行相关的方法替换。

但是三者之间还是有各自的特点：

动态解析 : 适用于将原来的类中的方法替换掉或者延迟加载。

快速转发 : 可以将消息处理转发给其他对象，使用范围更广，不只是限于原来的对象。

慢速转发 : 跟快转发一样可以消息转发，但它能通过NSInvocation对象获取更多消息发送的信息，例如：target、selector、arguments和返回值等信息。

iOS 消息 runtime 层实现过程

小编在 iOS 消息发送和转发根据 NSObject 方面讲述 [receiver message] 消息调用处理，但是在 runtime 层在怎样情形呢？

[receiver message] 这句的含义是：向 receiver 发送名为 message 的消息。

打开开发文档(在 objc/message.h 中)

1	[receiver message];

是下面的表示方式：

1 2	//objc_msgSend(self, Selector);//基本表示方法 objc_msgSend(self, message);

其中 objc_msgSend 的真正实现代码如下：

1	objc_msgSend(id _Nullable self, SEL _Nonnull op, ...);

小编下面简单的介绍下 objc_msgSend 中的参数和如何使用 runtime 实现方法替换。

id

上面在 objc_msgSend 中的第一参数 id。小编认为对于 id 用该不会陌生，id 是指向类实例一个指针。

typedef struct objc_object *id;

``` 

`Objc_object` 会是什么样类型呢？ [文档](https://opensource.apple.com/source/objc4/objc4-709/runtime/objc-private.h.auto.html)

```objc
struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
public:
    // ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
    Class ISA();

    // getIsa() allows this to be a tagged pointer object
    Class getIsa();
    //省略 ...
    ...
}

Objc_object中包含一个 isa 的指针， isa 是 isa_t 的联合体。根据 isa 指针可以获取对象所属的类。

SEL

objc_msgSend 中的第二个参数 SEL，在 Objc 中变现为 selector。selector是方法的选择器，可以视作系统用来区分方法的 ID，而此 ID 的类型为 SEL结构。

1	typedef struct objc_selector *SEL;

最本质的就是 SEL 就是映射方法的字符串，小编记得可以在 objc 中 @selector() 和 runtime 中的 objc_registerName 来获取方法选着器。

注：在不同类中方法名相同的 SEL 相同，在同一个类中的方法名相同参数不同的 SEL 相同。

动态实现方法替换

- (BOOL)swapMethods {
    //获取要替换的方法
    Method oldMethod = class_getInstanceMethod([self class], @selector(finishMessage));
    if (!oldMethod) {
        return NO;
    }
    //获取用来替换的方法
    Method newMethod = class_getInstanceMethod([self class], @selector(secondMessage));
    if (!newMethod) {
        return NO;
    }
    //把两者方法进行替换
    method_exchangeImplementations(oldMethod, newMethod);
    return YES;
}

上面是使用 runtime 的形式用新的方法替换掉原来的方法，其中使用到的知识会在 runtime 详解中解析讲解。

提出替换方案

在替换方法方案中，目前有 4 种：

在消息动态解析中替换方式：动态解析替换的基础是没有找到实现文件，需要对实现进行屏蔽
使用 runtime 实现动态加载替换方式：需要修改原来方法的名字或者修改参数
使用子类继承的方式：不需要修改任何信息，但是如果在有子类情况下改动比较麻烦
使用 Category 方式：不需要改动名字和参数，但是会引入新的文件数目

小结

在替换方法过程中要根据具体的情景来进行选择合适的替换方式。

参考资料：
Message forwarding
Objective-c-messaging
The faster objc_msgSend
Understanding objective-c runtime
objc4/objc4-709
objc-private.h