Objective-C动态方法解析：resolveInstanceMethod实现

1. Objective-C 动态方法解析概述

在Objective-C中，动态方法解析是一个强大的机制，它允许在运行时向类添加方法实现。这一特性使得Objective-C在运行时具有高度的灵活性，与许多静态语言形成鲜明对比。动态方法解析主要涉及三个步骤：动态方法解析、备用接收者和完整消息转发。本文将聚焦于动态方法解析中的 resolveInstanceMethod 实现。

当向一个对象发送一条它无法识别的消息时，Objective-C运行时系统会启动动态方法解析流程。运行时首先会调用类的 + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel 类方法（对于实例方法调用），如果类实现了这个方法，就有机会在此时动态地添加方法实现。

2. resolveInstanceMethod 方法的基础

resolveInstanceMethod 是一个类方法，定义如下：

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    // 实现逻辑
}

这个方法接收一个 SEL（选择器）作为参数，代表了无法识别的消息。其返回值是一个布尔类型，如果成功添加了方法实现，应返回 YES，否则返回 NO。

2.1 动态添加方法实现的函数指针

为了在 resolveInstanceMethod 中动态添加方法实现，需要使用 class_addMethod 函数。它的声明如下：

BOOL class_addMethod(Class  _Nullable cls, SEL  _Nonnull name, IMP  _Nonnull imp, const char * _Nullable types);

• cls：需要添加方法的类。
• name：方法的选择器（SEL）。
• imp：方法实现的函数指针（IMP）。
• types：方法的编码字符串，描述了方法的参数和返回值类型。

3. 代码示例1：简单的动态方法解析

假设我们有一个简单的类 MyClass，最初它没有实现某个方法，但我们希望在运行时动态地添加这个方法。

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface MyClass : NSObject
- (void)dynamicMethod;
@end

@implementation MyClass

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(dynamicMethod)) {
        class_addMethod(self, sel, (IMP)dynamicMethodImplementation, "v@:");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

void dynamicMethodImplementation(id self, SEL _cmd) {
    NSLog(@"动态添加的方法被调用了");
}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        MyClass *obj = [[MyClass alloc] init];
        [obj performSelector:@selector(dynamicMethod)];
    }
    return 0;
}

在上述代码中：

• MyClass 类声明了 dynamicMethod 方法，但最初并没有实现。
• resolveInstanceMethod 方法检查接收到的选择器是否是 @selector(dynamicMethod)。如果是，它使用 class_addMethod 动态添加方法实现。这里的方法实现是 dynamicMethodImplementation 函数，它只是简单地打印一条日志。
• main 函数中，创建了 MyClass 的实例并通过 performSelector 调用 dynamicMethod，由于动态方法解析机制，该方法能够被成功调用。

4. 方法类型编码（Types）

在 class_addMethod 中，types 参数是一个编码字符串，用于描述方法的参数和返回值类型。以下是一些常见的编码规则：

• v：代表 void，即无返回值。
• @：代表 id 类型，即对象类型。
• :：代表 SEL 类型。
• i：代表 int 类型。
• f：代表 float 类型。
• d：代表 double 类型。

例如，一个返回 int 类型，接收两个 int 参数的方法，其编码字符串为 i@:ii。第一个 i 表示返回值类型，@ 表示对象本身，: 表示选择器，后面两个 ii 表示两个 int 参数。

5. 代码示例2：带参数的动态方法解析

现在我们来看一个带参数的动态方法解析示例。

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface MyMathClass : NSObject
- (int)add:(int)a and:(int)b;
@end

@implementation MyMathClass

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(add:and:)) {
        class_addMethod(self, sel, (IMP)addImplementation, "i@:ii");
        return YES;
    }
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

int addImplementation(id self, SEL _cmd, int a, int b) {
    return a + b;
}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        MyMathClass *mathObj = [[MyMathClass alloc] init];
        int result = [mathObj performSelector:@selector(add:and:) withObject:@(5) withObject:@(3)];
        NSLog(@"结果是: %d", result);
    }
    return 0;
}

在这个示例中：

• MyMathClass 类声明了 add:and: 方法，但没有初始实现。
• resolveInstanceMethod 方法判断接收到的选择器是否是 @selector(add:and:)。如果是，使用 class_addMethod 添加方法实现 addImplementation，其编码字符串 i@:ii 表示返回 int 类型，接收两个 int 参数。
• main 函数中，创建 MyMathClass 实例并通过 performSelector:withObject:withObject: 调用 add:and: 方法，成功得到两个数相加的结果。

6. 与继承的关系

当子类调用 resolveInstanceMethod 时，如果子类没有处理特定的选择器，通常会调用父类的 resolveInstanceMethod。例如：

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface SuperClass : NSObject
@end

@implementation SuperClass

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    if (sel == @selector(superDynamicMethod)) {
        class_addMethod(self, sel, (IMP)superDynamicMethodImplementation, "v@:");
        return YES;
    }
    return NO;
}

void superDynamicMethodImplementation(id self, SEL _cmd) {
    NSLog(@"父类动态添加的方法被调用了");
}

@end

@interface SubClass : SuperClass
@end

@implementation SubClass

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        SubClass *subObj = [[SubClass alloc] init];
        [subObj performSelector:@selector(superDynamicMethod)];
    }
    return 0;
}

在这个例子中，SubClass 没有实现 resolveInstanceMethod，当 subObj 调用 superDynamicMethod 时，运行时会首先在 SubClass 中查找该方法，未找到后调用 SuperClass 的 resolveInstanceMethod，从而使得父类动态添加的方法能够在子类中被调用。

7. 动态方法解析的应用场景

• 插件化和模块化开发：可以在运行时根据需要加载不同的模块，并动态添加方法实现，实现功能的动态扩展。例如，一个应用程序可以在启动时根据用户的配置或设备的特性，动态加载特定的插件模块，并为其类添加相应的方法实现。
• 错误处理和兼容性：在处理一些可能缺失的方法时，可以通过动态方法解析提供备用的实现。比如，在与旧版本系统或库进行交互时，如果某些方法在当前环境下不存在，可以通过动态方法解析添加兼容的实现。
• 运行时优化：对于一些不常用的方法，可以延迟到运行时需要时再添加实现，从而减少程序启动时的初始化开销。例如，一个图形处理应用程序可能有一些复杂的图形渲染算法，这些算法对应的方法可以在用户真正需要进行特定图形渲染时，通过动态方法解析来添加实现。

8. 动态方法解析的注意事项

• 性能问题：虽然动态方法解析提供了很大的灵活性，但每次调用动态解析的方法都会带来一定的性能开销。因为运行时需要进行额外的查找和动态添加方法实现的操作。因此，对于性能敏感的代码路径，应谨慎使用动态方法解析。
• 内存管理：动态添加的方法实现（函数指针）需要确保其生命周期与类的生命周期相匹配。如果在动态添加方法后，相关的函数指针所指向的内存被提前释放，会导致运行时错误。例如，动态添加的方法实现是在某个动态库中，如果该动态库被卸载时，方法实现还在被调用，就会出现内存访问错误。
• 编码字符串的正确性：class_addMethod 中的编码字符串必须准确描述方法的参数和返回值类型。如果编码字符串错误，可能导致运行时崩溃。例如，编码字符串描述的参数类型与实际传递的参数类型不匹配，会造成未定义行为。

9. 动态方法解析与其他消息转发机制的关系

动态方法解析是消息转发机制的第一步。如果 resolveInstanceMethod 返回 NO，运行时会进入备用接收者阶段，调用 - (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector 方法，看是否有其他对象可以处理该消息。如果备用接收者也未能处理，最后会进入完整消息转发阶段，涉及 methodSignatureForSelector: 和 forwardInvocation: 方法。

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface MyMessageForwardingClass : NSObject
- (void)unimplementedMethod;
@end

@implementation MyMessageForwardingClass

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    return NO;
}

- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(unimplementedMethod)) {
        return [[AnotherClass alloc] init];
    }
    return nil;
}

@end

@interface AnotherClass : NSObject
- (void)unimplementedMethod;
@end

@implementation AnotherClass
- (void)unimplementedMethod {
    NSLog(@"AnotherClass 处理了未实现的方法");
}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        MyMessageForwardingClass *obj = [[MyMessageForwardingClass alloc] init];
        [obj performSelector:@selector(unimplementedMethod)];
    }
    return 0;
}

在这个例子中，MyMessageForwardingClass 的 resolveInstanceMethod 返回 NO，运行时进入备用接收者阶段，forwardingTargetForSelector 方法返回 AnotherClass 的实例，使得 unimplementedMethod 能够被处理。

10. 深入理解 IMP

IMP 是指向方法实现的函数指针类型。在动态方法解析中，我们通过 class_addMethod 为类添加方法实现时，需要提供一个正确的 IMP。一个 IMP 所指向的函数具有固定的参数结构：第一个参数是 id 类型，代表接收消息的对象本身；第二个参数是 SEL 类型，代表被调用的选择器；后续参数是方法实际的参数。

typedef id (*IMP)(id, SEL, ...);

例如，在之前的 addImplementation 函数中：

int addImplementation(id self, SEL _cmd, int a, int b) {
    return a + b;
}

self 是接收消息的对象，_cmd 是选择器 @selector(add:and:)，a 和 b 是方法的实际参数。

11. 动态方法解析在多线程环境下的考虑

在多线程环境中使用动态方法解析需要特别小心。由于动态方法解析涉及到类结构的动态修改（添加方法实现），如果多个线程同时进行动态方法解析操作，可能会导致数据竞争和未定义行为。为了避免这种情况，可以使用线程锁来保护动态方法解析的代码块。

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <pthread.h>

@interface ThreadSafeDynamicClass : NSObject
- (void)threadSafeDynamicMethod;
@end

@implementation ThreadSafeDynamicClass

pthread_mutex_t mutex;

+ (void)initialize {
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
}

+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    if (sel == @selector(threadSafeDynamicMethod)) {
        class_addMethod(self, sel, (IMP)threadSafeDynamicMethodImplementation, "v@:");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        return YES;
    }
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

void threadSafeDynamicMethodImplementation(id self, SEL _cmd) {
    NSLog(@"线程安全的动态方法被调用了");
}

@end

void* threadFunction(void* arg) {
    ThreadSafeDynamicClass *obj = (__bridge ThreadSafeDynamicClass *)arg;
    [obj performSelector:@selector(threadSafeDynamicMethod)];
    return NULL;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
        ThreadSafeDynamicClass *obj = [[ThreadSafeDynamicClass alloc] init];

        pthread_t thread1, thread2;
        pthread_create(&thread1, NULL, threadFunction, (__bridge void *)obj);
        pthread_create(&thread2, NULL, threadFunction, (__bridge void *)obj);

        pthread_join(thread1, NULL);
        pthread_join(thread2, NULL);

        pthread_mutex_destroy(&mutex);
    }
    return 0;
}

在这个示例中，通过 pthread_mutex 对 resolveInstanceMethod 中的关键代码进行加锁，确保在多线程环境下动态方法解析的安全性。

12. 动态方法解析与运行时元数据

Objective-C 的运行时维护着类的元数据，包括类的方法列表等信息。当通过 class_addMethod 动态添加方法时，运行时会更新类的元数据，将新添加的方法信息插入到方法列表中。这意味着后续对该类的方法查找（无论是通过动态方法解析还是常规的方法调用）都能够找到新添加的方法。

同时，动态方法解析也依赖于运行时对类结构的访问和修改权限。在一些受限的环境中（如某些沙盒环境），可能无法进行动态方法解析操作，因为运行时对类结构的修改可能被禁止。

13. 总结动态方法解析的优点和局限

• 优点：
  • 高度灵活性：允许在运行时根据实际需求动态添加方法实现，这在插件化、模块化开发以及处理兼容性问题时非常有用。
  • 延迟加载：对于不常用的方法，可以延迟到运行时需要时再添加实现，从而优化程序的启动时间和内存占用。
• 局限：
  • 性能开销：动态方法解析会带来一定的性能开销，每次调用动态解析的方法都需要额外的查找和动态添加方法实现的操作。
  • 复杂性：增加了代码的复杂性，需要处理方法类型编码、内存管理以及多线程环境下的安全性等问题。同时，动态方法解析与其他消息转发机制的协同工作也需要开发者深入理解，否则容易出现运行时错误。

通过深入理解 resolveInstanceMethod 的实现和应用，开发者可以充分利用Objective-C的动态特性，编写出更加灵活和高效的代码。同时，也要注意其带来的性能和复杂性问题，在实际应用中进行合理的权衡。