Runtime是近年来面试遇到的一个高频方向，也是我们平时开发中或多或少接触的一个领域，那么什么是runtime呢？它又可以用来做什么呢？
什么是Runtime？平时项目中有用过么？
OC是一门动态性比较强的编程语言，允许很多操作推迟到程序运行时再进行
OC的动态性就是由Runtime来支撑和实现的，Runtime是一套C语言的API，封装了很多动 态性相关的函数
平时编写的OC代码，底层都是转换成了Runtime API进行调用
具体应用
利用关联对象（AssociatedObject）给分类添加属性
遍历类的所有成员变量（修改textfield的占位文字颜色、字典转模型、自动归档解档）
交换方法实现（交换系统的方法）
利用消息转发机制解决方法找不到的异常问题
1、详解isa
我们在研究对象的本质的时候提到过isa，当时说的是isa是个指针，存储的是个类对象或者元类对象的地址，实例对象的isa指向类对象，类对象的isa指向元类对象。确实，在arm64架构(真机环境)前，isa单纯的就是一个指针，里面存储着类对象或者元类对象地址，但是arm64架构后，系统对isa指针进行了优化，我们在源码中可以探其结构：
可以看到，isa是个isa_t类型的数据，我们在点进去看一下isa_t是什么数据：
isa_t是个union结构，里面包含了一个结构体，结构体里面是个宏ISA_BITFIELD，我们看看这个宏是什么？
也就是这个机构体里面包含很多东西，但是究竟是什么东西要根据系统来确定。
那么在arm64架构下，isa指针的真实结构是：
在我们具体分析isa内部各个参数分别代表什么之前，我们需要弄清楚这个union是什么呢？我们看着这个union和结构体的结构很像，这两者的区别如下↓↓
union：共用体，顾名思义，就是多个成员共用一块内存。在编译时会选取成员中长度最长的来声明。 共用体内存=MAX（各变量） struct：结构体，每个成员都是独立的一块内存。 结构的内存=sizeof（各变量之和）+内存对齐
也就是说，union共用体内所有的变量，都用同一块内存，而struct结构体内的变量是各个变量有各个变量自己的内存，举例说明：
我们分别定义了一个共用体test1和一个结构体test2，里面都各自有八个char变量，打印出来各自占用内存我们发现共用体只占用了1个内存，而结构体占用了8个内存，
其实结构体占用8个内存很好理解，8个char变量，每个char占用一个，所以是8；而union共用体为什么只占用一个呢？这是因为他们共享同一个内存存储东西，他们的内存结构是这样的：
我们看到te就一个内存空间，也就是所有的公用体成员公用一个空间，并且同一时间只能存储其中一个成员变量的值，这一点我们可以打断点或打印进行确认：
我们发现，第一次打印的时候，bdf这些值都是1的打印出来都是0，这是因为当te.g = '0'，执行完后，这个内存存储的是g的值0，所以访问的时候打印结果都是0。第二次打印同理，te.h执行完内存中存储的是1，再访问这块内存那么得到的结果都会是1。所以我们从这也可以看出，union共用体就是系统分配一个内存供里面的成员共同使用，某一时间只能存储其中某一个变量的值，这样做相比结构体而言可以很大程度的节省内存空间。
既然我们已经知道isa_t使用共用体的原因是为了最大限度节省内存空间，那么各个成员后面的数字代表什么呢？这就涉及到了位域.
我们看到union共用体为了节省空间是不断的进行值覆盖操作，也就是新值覆盖旧值，结合位域的话可以更大限度的节约内存空间还不用覆盖旧值。我们都知道一个字节是8个bit位，所以位域的作用就是将字节这个内存单位缩小为bit位来存储东西。我们把上面这个union共用体加上位域：
上面这段代码的意思就是，abcdefgh这八个char变量不再是不停地覆盖旧值操作了，而是将一个字节分成8个bit位，每个变量一个bit位，按照顺序从右到左一次排列。
我们都知道char变量占用一个字节，一个字节有8个bit位，也就是char变量有8位，那么te和te2的内存结构如下所示：
这个结构我们也可以通过打印来验证：te占用一个字节位置，内存地址对应的值是0xaa，转换成二进制正好是10101010，也就是a~h存储的值。
我们可以看到，现在是将一个字节中的8个bit位分别让给8个char变量存储数据，所以这些char变量存储的数据不是0就是1，可以看出来这种方式非常省内存空间，将一个字节分成8个bit位存储东西，物尽其用。所以我们根据isa_t结构体中的所占用bit位加起来=64可以得知isa指针占用8个字节空间。
虽然位域极大限度的节省了内存空间，但是现在面临着一个问题，那就是如何给这些变量赋值或者取值呢?普通结构体中因为每个变量都有自己的内存地址，所以直接根据地址读取值即可， 但是union共用体中是大家共用同一个内存地址，只是分布在不同的bit位上，所以是没有办法通过内存地址读取值的，那么这就用到了位运算符，我们需要知道以下几个概念：
&：按位与，同真为真，其余为假
|：按位或，有真则真，全假则假
<<：左移，表示左移动一位 （默认是00000001 那么1<<1 则变成了00000010 1<<2就是00000100）
~：按位取反
掩码 : 一般把用来进行按位与(&)运算来取出相应的值的值称之为掩码(Mask)。如 #define TallMask 0b00000100 ：TallMask就是用来取出右边第三个bit位数据的掩码
好，那么我们来看下这些运算符是怎么可以做到取值赋值的呢？比如说我们上面的te共用体内有8个char，要是我们想出去char b的值怎么取呢？这就用到了&：
按位与上1<<1 就可以取出b位的值了，b是1那么结果就是1，b是0那么结果就是0；
同理，当我们为f设置值的时候，也是类似的操作，就是在改变f的值的同时不影响其他值,这里我们要看赋的值是0还是1，不同值操作不同:
所以，这就是共同体中取值赋值的操作流程，那么我们接下来回到isa指针这个结构体中，看一下它里面的各个成员以及怎么取赋值的↓↓
/*nonpointer 0，代表普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址 1，代表优化过，使用位域存储更多的信息 */ uintptr_t nonpointer : 1; \ /*has_assoc:是否有设置过关联对象，如果没有，释放时会更快*/ uintptr_t has_assoc : 1; \ /*是否有C++的析构函数（.cxx_destruct），如果没有，释放时会更快*/ uintptr_t has_cxx_dtor : 1; \ /*存储着Class、Meta-Class对象的内存地址信息*/ uintptr_t shiftcls : 33; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000*/ \ /*用于在调试时分辨对象是否未完成初始化*/ uintptr_t magic : 6; \ /*是否有被弱引用指向过，如果没有，释放时会更快*/ uintptr_t weakly_referenced : 1; \ /*对象是否正在释放*/ uintptr_t deallocating : 1; \ /*里面存储的值是引用计数器减1*/ uintptr_t has_sidetable_rc : 1; \ /* 引用计数器是否过大无法存储在isa中 如果为1，那么引用计数会存储在一个叫SideTable的类的属性中 */ uintptr_t extra_rc : 19;
我们看到，isa指针确实做了很大的优化，同样是占用8个字节，优化后的共用体不仅存放这类对象或元类对象地址，还存放了很多额外属性，接下来我们对这个结构进行验证：需要注意的是因为是arm64架构 所以这个验证需要是ios项目且需要运行在真机上 这样才会得出准确的结果
首先，我们来验证这个shiftcls是否就是类对象内存地址。
我们定义了一个dog对象，我们打印它的isa是0x000001a102a48de1
从上面的分析我们得知，要取出shiftcls的值需要isa的值&ISA_MASK(这个isa_mask在源码中有定义)，得出$1 = 0x000001a102a48de0
而$1的地址值正是我们上面打印出来Dog类对象的地址值，所以这也验证了isa_t的结构。
我们还可以来看一下其他一些成员，比如说是否被弱指针指向过？我们先将上面没有被__weak指向过的数据保存一下，其中红色框中的就是这个属性，0表示没有被指向过
然后我们修改代码，添加弱指针指向dog：__weak Dog *weaKDog = dog;
注意：只要设置过关联对象或者弱引用引用过对象，has_assoc或weakly_referenced的值就会变成1，不论之后是否将关联对象置为nil或断开弱引用。
发现确实由0变成了1，所以可以验证isa_t的结构，这个实验要确保程序运行在真机才能出现这个结果。所以arm64后确实对isa指针做了优化处理，不在单纯的存放类对象或者元类对象的内存地址，而是除此之外存储了更多内容。
2、class的具体结构
我们之前在讲分类的时候讲到了类的大体结构，如下图所示：
就如我们之前讲到的，当我们调用方法的时候是从bits中的methods中查找方法，分类的方法是排在主类方法前面的，所以调用同名方法是先调用分类的，而且究竟调用哪个分类的方法要取决于编译的先后顺序等等：
那么这个rw_t中的methods和ro_t中的methods有什么不一样呢？
首先，ro_t中methods，是只包含原始类的方法，不包括分类的，而rw_t中的methods即包含原始类的也包含分类的；
其次，ro_t中的methods只能读取不能修改，而rw_t中的methods既可以读取也可以修改，所以我们今后在动态添加方法修改方法的时候是在rw_t中的methods去操作的；
然后，ro_t中的methods是个一维数组，里面存放着method_t(对方法/函数的封装，即一个method_t代表一个方法或函数)，而rw_t中的methods是个二维数组，里面存放着各个分类和原始类的数组，分类和原始类的数组中存放着method_t。即：
我们也可以在源码中找到rw_t和ro_t的关系，
static Class realizeClass(Class cls) { runtimeLock.assertLocked(); const class_ro_t *ro; class_rw_t *rw; Class supercls; Class metacls; bool isMeta; if (!cls) return nil; if (cls->isRealized()) return cls; assert(cls == remapClass(cls)); // 最开始cls->data是指向ro的 ro = (const class_ro_t *)cls->data(); if (ro->flags & RO_FUTURE) { // rw已经初始化并且分配内存空间 rw = cls->data(); // cls->data指向rw ro = cls->data()->ro; // cls->data()->ro指向ro 即rw中的ro指向ro cls->changeInfo(RW_REALIZED|RW_REALIZING, RW_FUTURE); } else { // 如果rw并不存在，则为rw分配空间 rw = (class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1);// 分配空间 rw->ro = ro;// rw->ro重新指向ro rw->flags = RW_REALIZED|RW_REALIZING; // 将rw传入setData函数，等于cls->data()重新指向rw cls->setData(rw); } }
首先，cls->data(即bits)是指向存储类初始化信息的ro_t的，然后在运行过程中创建了class_rw_t，等rw_t分配好内存空间后，开始将cls->data指向了rw_t并将rw_t中的ro指向了存储初始化信息的ro_t。
那么ro_t和rw_t中存储的这个method_t是个什么结构呢？我们阅读源码发现结构如下，我们发现有三个成员：name、types、imp，我们一一来看：
name，表示方法的名称，一般叫做选择器，可以通过@selector()和sel_registerName()获得。
/* 比如test方法，它的SEL就是@selector(test);或者sel_registerName("test");需要注意的一点就是不同类中的同名方法，它们的方法选择器是相同的，比如A、B两个类中都有test方法，那么这两个test方法的名称都是@selector(test);或者sel_registerName("test"); */
types，表示方法的编码，即返回值、参数的类型，通过字符串拼接的方式将返回值和参数拼接成一个字符串，来代表函数返回值及参数。
/* 比如ViewDidload方法，我们都知道它的返回值是void，参数转为底层语言后是self和_cmd，即一个id类型和一个方法选择器，那么encode后就是v16@0:8(它所表示的意思是:返回值是void类型，参数一共占用16个字节,第一个参数是@类型，内存空间从0开始，第二个参数是:类型，内存空间从8开始)，当然这里的数字可以不写，简写成V@: */
关于更多encode规则，可以查看下面这个表：
当然除了自己手写外，iOS提供了@encode的指令，可以将具体的类型转化成字符串编码。
NSLog(@"%s",@encode(int)); NSLog(@"%s",@encode(float)); NSLog(@"%s",@encode(id)); NSLog(@"%s",@encode(SEL)); // 打印内容 Runtime-test[25275:9144176] i Runtime-test[25275:9144176] f Runtime-test[25275:9144176] @ Runtime-test[25275:9144176] :
imp，表示指向函数的指针(函数地址)，即方法的具体实现，我们调用的方法实际上最后都是通过这个imp去进行最终操作的。
3、方法缓存
我们在分析清楚方法列表和方法的结构后，我们再来看一下方法的调用是怎么一个流程呢？是直接去方法列表里面遍历查找对应的方法吗？
其实不然，我们在分析类的结构的时候，除了bits(指向类的具体信息，包括rw_t、ro_t等等一些内容）外，还有一个方法缓存:cache,用来缓存曾经调用过的方法
所以系统查找对应方法不是通过遍历rw_t这个二维数组来寻找方法的，这样做太慢，效率太低，系统是先从方法缓存中找有没有对应的方法，有的话就直接调用缓存里的方法，根据imp去调用方法，没有的话，就再去方法数组中遍历查找，找到后调用并保存到方法缓存里，流程如下：
那么方法是怎么缓存到cache中的呢？系统又是怎么查找缓存中的方法的呢？我们通过源码来看一下cache的结构：
散列表（Hash table，也叫哈希表），是根据关键码值(Key value)而直接进行访问的数据结构。也就是说，它通过把关键码值映射到表中一个位置来访问记录，以加快查找的速度。这个映射函数叫做散列函数，存放记录的数组叫做散列表。
我们可以看到，cache_t里面就三个成员，后两个代表长度和数量，是int类型，肯定不是存储方法的地方，所以方法应该是存储在_buckets这个散列表中。散列存储的是一个个的bucket_t的结构体，那么这个bucket_t又是个什么结构呢？
所以cache_t底部结构是这样的：
我们看到，bucket_t就两个值，一个key一个imp，key的话就是方法名，也就是SEL，而imp就是Value，也就是当我们调用一个方法是来到方法缓存中查找，通过比对方法名是不是一致，一致的话就返回对应的imp，也就是方法地址，从而可以调用方法，那么这个散列表是怎么查找的呢？难道也是通过遍历吗？
我们通过阅读源码来一探究竟：
通过上面代码的阅读，我们可以知道系统在cache_t中查找方法并不是通过遍历，而是通过方法名SEL&mask得到一个索引，直接去读数组索引中的方法，如果该方法的SEL与我们调用的方法名SEL一直，那么就返回这个方法，否则就一直向下寻找直到找完为止。
好，既然取值的时候不是遍历，而是直接读的索引，那么讲方法存储到缓存中也肯定是通过这种方式了，直接方法名&mask拿到索引，然后将_key和_imp存储到对应的索引上，这一点我们通过源码也可以确认：
我们看到无论是存还是读，都是调用了find函数，查看SEL&mask对应的索引的方法，不合适的话再向下寻找直到找到合适的位置。
那么这里有两个疑问，为什么SEL&mask会出现不是该方法名(读)或者不为空(写)的情况呢？散列表扩容后方法还在吗？
首先，SEL&mask这个问题，是因为不同的方法名&mask可能出现同一个结果，比如test方法的SEL是011，run方法的SEL是010，mask是010，那么无论是test的SEL&mask还是run的SEL&mask 记过都是010，如果大家都存在这个索引里面是会出问题的，所以为了解决这个索引重复的问题需要先做判断，即拿到索引后先判断这个索引对应的值是不是你想要的，是的话你拿走用，不是的话向下继续找，方法缓存也是同样的道理。我们先调用test方法，缓存到010索引，再调用run方法，发现010位置不为空了，那就判断010下面的索引是否为空，为空的话就将run方法缓存到这个位置。
关于散列表扩容后，缓存方法在不在的问题，通过源码就可以知道，旧散列表已经释放掉了，所以是不存在的，再次调用的时候就得重新去rw_t中遍历找方法然后重新缓存到散列表中，比如下面这个例子:
更正更正更正
我们前面讲到当SEL&mask出来一个索引发现被占用或者不是我想要的时候，系统是向索引下一位再次寻找，这个地方失误了，不是向下是向上寻找，这个地方看源码的时候忽略了条件，在x86或者i386架构中是向下寻找，在arm64架构中是向上寻找：(因为上面图片资源都已经删掉了就没有再更改，这里需要注意一下)
到现在我们清楚了，那就是散列表中并不是按照索引依次排序或者遍历索引依次读取，那么就会出现个问题，因为SEL&mask是个小于mask的随机值且散列表存储空间超过3/4的时候就要扩容，那就会导致散列表中有一部分空间始终被限制。确实，散列表当分配内存后，每个地方最初都是null的，当某个位置的索引被用到时，对应的位置才会存储方法，其余位置仍处于空闲状态，但是这样做可以极大提高查找速度(比遍历快很多)，所以这是一种空间换时间的方式。
4、方法的传递过程
我们现在已经清楚方法的调用顺序了，实现从缓存中找没有的话再去rw_t中找，那么在没有的话就去其父类中找，父类中查找也是如此，先去父类中的cache中查找，没有的话再去父类的rw_t中找，以此类推。如果查找到基类还没有呢？难道就直接报unrecognized selector sent to instance 这个经典错误吗？
其实不是，方法的传递主要涉及到三个部分，这也是我们平时用得最多以及面试中经常出现的问题：
我们都知道，当我们调用一个方法是，其实底层是将这个方法转换成了objc_msgSend函数来进行调用，objc_msgSend的执行流程可以分为3大阶段：
消息发送->动态方法解析->消息转发
这个流程我们是可以从源码中得到确认，以下是源码：
1 /*********************************************************************** 2 * _class_lookupMethodAndLoadCache. 3 * Method lookup for dispatchers ONLY. OTHER CODE SHOULD USE lookUpImp(). 4 * This lookup avoids optimistic cache scan because the dispatcher 5 * already tried that. 6 **********************************************************************/ 7 IMP _class_lookupMethodAndLoadCache3(id obj, SEL sel, Class cls) 8 { 9 return lookUpImpOrForward(cls, sel, obj, 10 YES/*initialize*/, NO/*cache*/, YES/*resolver*/); 11 } 12 13 14 /*********************************************************************** 15 * lookUpImpOrForward. 16 * The standard IMP lookup. 17 * initialize==NO tries to avoid +initialize (but sometimes fails) 18 * cache==NO skips optimistic unlocked lookup (but uses cache elsewhere) 19 * Most callers should use initialize==YES and cache==YES. 20 * inst is an instance of cls or a subclass thereof, or nil if none is known. 21 * If cls is an un-initialized metaclass then a non-nil inst is faster. 22 * May return _objc_msgForward_impcache. IMPs destined for external use 23 * must be converted to _objc_msgForward or _objc_msgForward_stret. 24 * If you don't want forwarding at all, use lookUpImpOrNil() instead. 25 **********************************************************************/ 26 //这个函数是方法调用流程的函数 即消息发送->动态方法解析->消息转发 27 IMP lookUpImpOrForward(Class cls, SEL sel, id inst, 28 bool initialize, bool cache, bool resolver) 29 { 30 IMP imp = nil; 31 bool triedResolver = NO; 32 33 runtimeLock.assertUnlocked(); 34 35 // Optimistic cache lookup 36 if (cache) { 37 imp = cache_getImp(cls, sel); 38 if (imp) return imp; 39 } 40 41 // runtimeLock is held during isRealized and isInitialized checking 42 // to prevent races against concurrent realization. 43 44 // runtimeLock is held during method search to make 45 // method-lookup + cache-fill atomic with respect to method addition. 46 // Otherwise, a category could be added but ignored indefinitely because 47 // the cache was re-filled with the old value after the cache flush on 48 // behalf of the category. 49 50 runtimeLock.lock(); 51 checkIsKnownClass(cls); 52 53 if (!cls->isRealized()) { 54 realizeClass(cls); 55 } 56 57 if (initialize && !cls->isInitialized()) { 58 runtimeLock.unlock(); 59 _class_initialize (_class_getNonMetaClass(cls, inst)); 60 runtimeLock.lock(); 61 // If sel == initialize, _class_initialize will send +initialize and 62 // then the messenger will send +initialize again after this 63 // procedure finishes. Of course, if this is not being called 64 // from the messenger then it won't happen. 2778172 65 } 66 67 68 retry: 69 runtimeLock.assertLocked(); 70 71 // Try this class's cache. 72 //先从当前类对象的方法缓存中查看有没有对应方法 73 imp = cache_getImp(cls, sel); 74 if (imp) goto done; 75 76 // Try this class's method lists. 77 //没有的话再从类对象的方法列表中寻找 78 { 79 Method meth = getMethodNoSuper_nolock(cls, sel); 80 if (meth) { 81 log_and_fill_cache(cls, meth->imp, sel, inst, cls); 82 imp = meth->imp; 83 goto done; 84 } 85 } 86 87 // Try superclass caches and method lists. 88 { 89 unsigned attempts = unreasonableClassCount(); 90 //遍历所有父类 知道其父类为空 91 for (Class curClass = cls->superclass; 92 curClass != nil; 93 curClass = curClass->superclass) 94 { 95 // Halt if there is a cycle in the superclass chain. 96 if (--attempts == 0) { 97 _objc_fatal("Memory corruption in class list."); 98 } 99 100 // Superclass cache. 101 //先查找父类的方法缓存 102 imp = cache_getImp(curClass, sel); 103 if (imp) { 104 if (imp != (IMP)_objc_msgForward_impcache) { 105 // Found the method in a superclass. Cache it in this class. 106 log_and_fill_cache(cls, imp, sel, inst, curClass); 107 goto done; 108 } 109 else { 110 // Found a forward:: entry in a superclass. 111 // Stop searching, but don't cache yet; call method 112 // resolver for this class first. 113 break; 114 } 115 } 116 117 // Superclass method list. 118 //再查找父类的方法列表 119 Method meth = getMethodNoSuper_nolock(curClass, sel); 120 if (meth) { 121 log_and_fill_cache(cls, meth->imp, sel, inst, curClass); 122 imp = meth->imp; 123 goto done; 124 } 125 } 126 } 127 128 // No implementation found. Try method resolver once. 129 //消息发送阶段没找到imp 尝试进行一次动态方法解析 130 if (resolver && !triedResolver) { 131 runtimeLock.unlock(); 132 _class_resolveMethod(cls, sel, inst); 133 runtimeLock.lock(); 134 // Don't cache the result; we don't hold the lock so it may have 135 // changed already. Re-do the search from scratch instead. 136 triedResolver = YES; 137 //跳转到retry入口 retry入口就在上面,也就是x消息发送过程即找缓存找rw_t 138 goto retry; 139 } 140 141 // No implementation found, and method resolver didn't help. 142 // Use forwarding. 143 //消息发送阶段没找到imp而且执行动态方法解析也没有帮助 那么就执行方法转发 144 imp = (IMP)_objc_msgForward_impcache; 145 cache_fill(cls, sel, imp, inst); 146 147 done: 148 runtimeLock.unlock(); 149 150 return imp; 151 }