Runtime
Message-Passing is the important part of Smalltalk (from which Objective-C derives), not objects. - Alan Kay
Runtime是一个实现Objc动态特性的C库(Apple和GNU分别维护并开源自己的实现)，不像C++那样在编译期间就必须严格确定函数与对象之间的关系，Objc在运行期间才能确定具体的执行函数。可以说Runtime就是对象生成的规范(内存模型)和消息执行的判断(动态绑定)。程序运行的时候，类型系统可以动态删减，对象父类可以动态改变，对象类型可以动态改变，对象方法可以动态改变，对象方法可以动态删减，对象成员可以动态删减，对象能力可以动态自省。看起来好像一切，都能够改变，都可以改变，因为如此灵活，很多第三方库使用Runtime实现了强大的功能。但是，如果没有深刻的理解和经验的积累，语言的灵活性往往会成为程序的不稳定，所以在不得已的情况下请谨慎使用Runtime。
SEL
//objc_selector未给出定义
typedef struct objc_selector *SEL;
SEL sel1 = @selector(test);
NSLog(@"%s %p", (char *)sel1, sel1);
SEL sel2 = sel_registerName([@"test" UTF8String]);
NSLog(@"%s %p", (char *)sel2, sel2);
//输出如下:
2015-10-05 17:20:26.195 Demo[1840:142119] test 0x7fff90c12140
2015-10-05 17:20:26.195 Demo[1840:142119] test 0x7fff90c12140
编译Objective-C时，编译器根据方法名生成唯一一个表示该方法的ID。方法名与ID一一对应。所有方法的SEL构成一个集合，查找某个方法时只需要去找到对应SEL就可以。SEL指向的机构里面应该就存储着一个字符串。
id
typedef struct objc_object *id;
struct objc_object {
Class isa;
};
id指向结构体objc_object，结构体有一个指向Class的指针isa，Runtime根据对象的isa找到它的类型信息。甚至可以这么说，一个结构体，不管里面有没有数据，有多少数据，只要第一个变量是Class指针且能通过它找到对应的类型信息，那么这个结构体就可以看做是一个对象(当然结构体的数据布局要和类型要求的一样才合法)。isa即是一个，代表抽象关系：一只猫是一个动物，一个对象是一个类。动物提供了猫的基本的信息(脑身腿脚)和抽象的行为(吃喝玩睡)。
Class
typedef struct objc_class *Class;
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;
objc_class结构体里存储着父类结构体指针，名称，版本，实例大小，成员变量列表，方法列表，方法缓存，协议列表。因为objc_class结构体里还有isa，由此可见**类也是一个”对象”，Runtime称之为类对象，而类对象的抽象Runtime称之为元类(MetaClass)，而元类的抽象Runtime称之为根元类(Root Meta Class)**，他们都属于”对象”。对象其实是由类对象的实例方法－对象的类方法－创建出来的。
Ivar
typedef struct objc_ivar *Ivar;
struct objc_ivar {
char *ivar_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *ivar_type OBJC2_UNAVAILABLE;
int ivar_offset OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
//objc_class
struct objc_ivar_list {
int ivar_count OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
/* variable length structure */
struct objc_ivar ivar_list[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
} OBJC2_UNAVAILABLE;
Ivar是一个指向objc_ivar结构体的指针，objc_ivar结构体存储着变量名、变量类型编码和变量在该类中的字节偏移量，objc_class结构体(也就是类对象)里的objc_ivar_list存储着该类所有的变量。
健壮性实例变量(Non Fragile ivars)
Runtime目前有Modern和Legacy两个版本。Modern运行在OSX10.5之后和iOS的64位程序中，Legacy运行在OSX10.5之前的32位程序中。最大区别在于更改类的实例变量布局时，Legacy需要重新编译子类，Modern不需要。当一个类被编译时，该类会生成一个ivar布局，从isa开始依次根据实例变量大小产生位移，先是父类布局接着子类布局。访问变量的ivar地址＝对象地址＋ivar偏移字节。
但有个问题，当父类增加了ivar，原来的布局就出错了，在脆弱性实例变量(Fragile ivars)环境中不得不重新编译子类调整ivar布局。
在健壮性实例变量(Non Fragile ivars)环境中，编译器生成的子类实例变量布局跟以前一样，但程序启动后，如果Runtime检测到子类与父类布局有冲突便会调整子类布局。这样子类的成员变量就被保护起来了，以后不管父类变不变、怎么变都不会影响子类。访问变量的ivar地址＝对象地址＋基类大小+ivar偏移字节。
Property
编译时，编译器将Property转换成Ivar，并且添加Setter和Getter。Runtime函数property_getAttributes能获取objc_property的名称和@encode类型字符串：
//objc_property未给出定义
typedef struct objc_property *objc_property_t;
typedef struct {
const char *name; /**< The name of the attribute */
const char *value; /**< The value of the attribute (usually empty) */
} objc_property_attribute_t;
Method
typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
SEL method_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *method_types OBJC2_UNAVAILABLE;
IMP method_imp OBJC2_UNAVAILABLE;
} OBJC2_UNAVAILABLE;
//objc_class
struct objc_method_list {
struct objc_method_list *obsolete OBJC2_UNAVAILABLE;
int method_count OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
/* variable length structure */
struct objc_method method_list[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
}
Method代表类中某个方法，它是一个指向objc_method结构体的指针。objc_method结构体存储着一个SEL类型的名字，一个参数和返回值的类型信息，一个真正实现方法的函数地址。objc_class结构体(也就是类对象)的objc_method_list存储着该类所有的方法。
IMP
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);
IMP是一个编译器编译生成的函数指针，该函数包含一个接收消息的对象id，对应映射的名字SEL，方法参数，返回值id。Objc函数都会编译成C函数，ObjC对象接收消息变成普通C函数调用一样。
Cache
typedef struct objc_cache *Cache
//objc_class
struct objc_cache {
unsigned int mask /* total = mask + 1 */ OBJC2_UNAVAILABLE;
unsigned int occupied OBJC2_UNAVAILABLE;
Method buckets[1] OBJC2_UNAVAILABLE;
} OBJC2_UNAVAILABLE;
每次调用方法后，Runtime会更新cache，根据算法留住最常用的方法，以提高代码执行效率。mask表示总共缓冲槽(Cache Bucket)数目。occupied表示有效缓冲槽数目。buckets表示缓冲槽，数目可能不超过mask+1，某槽可能为NULL(表示这个槽无效)，有效槽们也可能是不连续的，缓冲槽可能会动态增加。
Protocol
typedef struct objc_object *Protocol;
//objc_class
struct objc_protocol_list {
struct objc_protocol_list *next;
long count;
Protocol *list[1];
};
Protocol其实是一个对象结构体。类对象的Protocol列表里还有下一个列表的指针，从而让Protocol列表有了继承的能力。
Category
typedef struct objc_category *Category;
//A
struct objc_category {
char *category_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *class_name OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list *instance_methods OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list *class_methods OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE;
} OBJC2_UNAVAILABLE;
objc_category存储了分类名、扩展的类、实例方法、类方法和协议列表。分类的实例方法列表是类的实例方法列表的子集，分类的类方法列表是类的类方法列表的子集。不过在objc-runtime-new.h的定义中：
//B
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;
};
名字name是要扩展的类名而不是分类名。扩展的类cls不是在编译期而是在运行期赋值，由Runtime通过类名name找到对应的类。属性列表instanceProperties表示分类所有的properties，这就是可以增减关联变量的原因，不过分类的关联变量和类的实例变量是不一样的。
程序启动时，libSystem调用_objc_init(objc-os.mm)加载并初始化Runtime，map_images(objc-runtime-new.mm)加载map到内存，_read_images开始初始化map并加载所有Class，Protocol和Category(NSObject的+load在这时调用)，Category的实例方法加入Class的方法列表，Category的类方法加入Meta Class的方法列表。
[receiver message]
编译器会根据语义和返回值选择objc_msgSend, objc_msgSend_stret(struc return), objc_msgSendSuper, objc_msgSendSuper_stret四个中的一个。传给父类的消息用带有Super的函数；返回值是数据结构不是简单类型的消息用带有stret的函数。objc_msgSend_fpret(floating point return)在i386平台代替返回类型为浮点数时使用的objc_msgSend，因为返回类型为浮点数的函数ABI(Application Binary Interface)与返回整型的函数ABI不兼容。
当objc_msgSend找到方法的实现后，Runtime将填充消息接收者receiver到第一位self，填充方法名字message到第二位_cmd，再依次将消息中所有参数按顺序填充。Objc发送的消息直到运行的时候才会动态绑定具体的实现：
- 检测这个selector是否可以忽略。MacOSX有垃圾回收的话就不理会retain,release这些selector。
- 检测这个target如果是nil则忽略。Objc允许对nil发送任何消息且不Crash。
- 如果上面都通过便进入类中查询信息。先从cache里所有Method，找到相等selector匹配的IMP后执行。
- 如果cache没找到，再查询方法列表所有Method，找到相等selector匹配的IMP后执行。
- 如果方法列表没找到，再到父类以同样的过程找，直到找到NSObject为止。
- 如果还没找到，就进入动态方法解析和消息转发的机制。
消息转发机制
不能确定对象是否能接收某个消息时，可以自省判断。
if ([reciver respondsToSelector:@selector(message)]) {
[reciver performSelector:@selector(message)];
}
对象接收到无法接收的消息时，进入消息转发机制，告诉对象如何处理未知的消息。默认情况下，对象接收未知消息后，会触发NSObject的doesNotRecognizeSelector方法抛出异常导致程序崩溃。消息转发机制分为以下几步：
动态方法解析 对象接收未知消息时，首先会根据消息的类型调用+resolveInstanceMethod:(实例方法)或者+resolveClassMethod:(类方法)。通过Runtime函数class_addMethod动态添加能够接收未知消息的方法到类里，来实现接收该未知消息(主要用在实现@dynamic)：
void methodForUnknownMessage(id self, SEL _cmd) {
NSLog(@"%@, %p", self, _cmd);
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
if ([NSStringFromSelector(sel) isEqualToString:@"methodForUnknownMessage"]) {
class_addMethod(self.class, sel, (IMP)methodForUnknownMessage, "@:");
return YES;
}
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}
备用接收对象 动态方法解析没能处理未知消息时，Runtime会继续调用forwardingTargetForSelector:返回备用接收对象去接收未知消息。
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
if(aSelector == @selector(helperCanRespond:)){
return helper;
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
完整转发 如果没有备用接受对象(返回nil)，Runtime会先用methodSignatureForSelector:获得未知消息的方法签名。
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
NSMethodSignature *signature = [super methodSignatureForSelector:aSelector];
if (!signature) {
if ([Helper instancesRespondToSelector:aSelector]) {
signature = [Helper instanceMethodSignatureForSelector:aSelector];
}
}
return signature;
}
Runtime再创建一个封装了全部细节(消息的接收对象target、消息的名字selector和消息附带的参数)的NSInvocation，调用forwardInvocation:(其中可以修改消息内容实现复杂功能，比如修改参数等)选择转发给其它对象。处理完未知消息后NSInvocation会保留结果，Runtime会提取结果并发送给原始接收对象。NSObject的forwardInvocation:只是简单调用doesNotRecognizeSelector:引发异常导致崩溃。
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
NSMethodSignature *signature = [super methodSignatureForSelector:aSelector];
if (!signature) {
if ([SUTRuntimeMethodHelper instancesRespondToSelector:aSelector]) {
signature = [SUTRuntimeMethodHelper instanceMethodSignatureForSelector:aSelector];
}
}
return signature;
}
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
if ([SUTRuntimeMethodHelper instancesRespondToSelector:anInvocation.selector]) {
[anInvocation invokeWithTarget:_helper];
}
}
消息转发和多继承
转发可以允许一个对象通过依赖其他对象去处理未知消息，让该对象表面上有处理未知消息的能力。虽然转发能模拟多继承让对象“继承”其它对象的能力，但区别在于多继承会让对象越来越大，转发只是建立对象间联系。虽然转发类似于继承，但Runtime对两者自省判断不一样，respondsToSelector:和isKindOfClass:和conformsToProtocol:能识别继承，不识别转发。如果想让消息转发看起来像继承，需要重写这些方法。
Runtime的应用
Category Ass
Methods Swizzling
KVO
NSZombie