Objective-C isa 指针与 runtime 机制

isa指针

要认识什么是 isa 指针，我们得先明确一点：

在 Objective-C 中，任何类的定义都是对象。类和类的实例（对象）没有任何本质上的区别。任何对象都有 isa 指针。

那么什么是类呢？在 xcode 中用快捷键 Shift＋Cmd＋O 打开文件 objc.h 能看到类的定义：

#if !OBJC_TYPES_DEFINED
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
#endif

/// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;

可以看出:

Class 是一个 objc_class 结构类型的指针, id是一个 objc_object 结构类型的指针.

我们再来看看 objc_class 的定义 (runtime.h 中)：

#if !OBJC_TYPES_DEFINED

/// An opaque type that represents a method in a class definition.
typedef struct objc_method *Method;

/// An opaque type that represents an instance variable.
typedef struct objc_ivar *Ivar;

/// An opaque type that represents a category.
typedef struct objc_category *Category;

/// An opaque type that represents an Objective-C declared property.
typedef struct objc_property *objc_property_t;

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

#endif

#ifdef __OBJC__
@class Protocol;
#else
typedef struct objc_object Protocol;
#endif

/// Defines a method
struct objc_method_description {
	SEL name;               /**< The name of the method */
	char *types;            /**< The types of the method arguments */
};

/// Defines a property attribute
typedef struct {
    const char *name;           /**< The name of the attribute */
    const char *value;          /**< The value of the attribute (usually empty) */
} objc_property_attribute_t;

各个参数的意思：

isa：是一个 Class 类型的指针. 每个实例对象有个 isa 的指针, 指向对象的类，而 Class 里也有个 isa 的指针, 指向 meteClass(元类)。元类保存了类方法的列表。
当类方法被调用时，先会从本身查找类方法的实现，如果没有，元类会向他父类查找该方法。同时注意的是：元类（meteClass）也是类，它也是对象。 元类也有 isa 指针,它的 isa 指针最终指向的是一个根元类(root meteClass).根元类的 isa 指针指向本身，这样形成了一个封闭的内循环。

super_class：父类，如果该类已经是最顶层的根类,那么它为 NULL。
version：类的版本信息，默认为0。
info：供运行期使用的一些位标识。
instance_size：该类的实例变量大小。
ivars：成员变量的数组。

各个类实例变量的继承关系：
- 每一个对象本质上都是一个类的实例。其中类定义了成员变量和成员方法的列表。对象通过对象的 isa 指针指向类。
- 每一个类本质上都是一个对象，类其实是元类（meteClass）的实例。元类定义了类方法的列表。类通过类的 isa 指针指向元类。
- 所有的元类最终继承一个根元类，根元类 isa 指针指向本身，形成一个封闭的内循环。

runtime 机制

runtime：指一个程序在运行（或者在被执行）的状态。也就是说，当你打开一个程序使它在电脑上运行的时候，那个程序就是处于运行时刻。在一些编程语言中，把某些可以重用的程序或者实例打包或者重建成为“运行库”。这些实例可以在它们运行的时候被连接或者被任何程序调用。
objective-c 中 runtime：是一套比较底层的纯 C 语言 API，属于 1 个 C 语言库，包含了很多底层的 C 语言 API。在我们平时编写的 OC 代码中，程序运行过程时，其实最终都是转成了 runtime 的 C 语言代码。
runtime 的应用：
- 动态创建一个类(比如 KVO 的底层实现)
- 动态地为某个类添加属性\方法, 修改属性值\方法
- 遍历一个类的所有成员变量(属性)\所有方法

实质上，以上的是通过相关方法来获取对象或者类的 isa 指针来实现的。

runtime 相关函数

增加
- 增加函数:class_addMethod
- 增加实例变量:class_addIvar
- 增加属性:@dynamic标签，或者class_addMethod，因为属性其实就是由 getter 和 setter 函数组成
- 增加 Protocol:class_addProtocol
获取
- 获取函数列表及每个函数的信息(函数指针、函数名等等):class_getClassMethod method_getName ...
- 获取属性列表及每个属性的信息:class_copyPropertyList property_getName
- 获取类本身的信息,如类名等：class_getName class_getInstanceSize
- 获取变量列表及变量信息：class_copyIvarList
- 获取变量的值
替换
- 将实例替换成另一个类：object_setClass
- 替换类方法的定义：class_replaceMethod
其他常用方法
- 交换两个方法的实现：method_exchangeImplementations.
- 设置一个方法的实现：method_setImplementation.

runtime 用法

Reference To:
http://www.jianshu.com/p/41735c66dccb