Objective-C运行时中的关联对象与属性注入技术

关联对象基础

在Objective-C中，对象的属性通常在类的定义中声明，并且存储在对象的内存布局中。然而，运行时提供了一种机制，可以在运行时为对象动态添加额外的属性，这就是关联对象（Associated Objects）技术。

关联对象允许你在运行时将一个对象与另一个对象相关联，而无需在类的定义中提前声明属性。这种机制基于运行时的objc_setAssociatedObject和objc_getAssociatedObject函数。

下面我们来看一个简单的代码示例，展示如何使用关联对象：

#import <objc/runtime.h>
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface NSObject (AssociatedObject)
@property (nonatomic, strong) NSString *associatedString;
@end

@implementation NSObject (AssociatedObject)
static char AssociatedStringKey;

- (void)setAssociatedString:(NSString *)associatedString {
    objc_setAssociatedObject(self, &AssociatedStringKey, associatedString, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}

- (NSString *)associatedString {
    return objc_getAssociatedObject(self, &AssociatedStringKey);
}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
        obj.associatedString = @"Hello, Associated Object!";
        NSString *string = obj.associatedString;
        NSLog(@"%@", string);
    }
    return 0;
}

在这个例子中，我们通过分类（Category）为NSObject添加了一个新的属性associatedString。虽然NSObject类本身并没有这个属性，但通过关联对象技术，我们可以像访问普通属性一样访问它。

关联对象的原理

关联对象的实现依赖于Objective-C运行时的底层数据结构。当你调用objc_setAssociatedObject时，运行时会在一个全局的关联对象表中为目标对象创建一个记录。这个表是一个哈希表，以对象的内存地址作为键，关联对象的信息作为值。

关联对象的信息包括关联的对象、关联策略（决定对象的内存管理方式）以及一个唯一的标识（通常是一个静态变量的地址）。关联策略有以下几种：

OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN：弱引用，不持有对象。
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC：强引用，非原子操作。
OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC：拷贝对象，非原子操作。
OBJC_ASSOCIATION_RETAIN：强引用，原子操作。
OBJC_ASSOCIATION_COPY：拷贝对象，原子操作。

例如，在我们之前的代码中，使用的是OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC策略，这意味着关联对象会被强引用，并且访问操作不是线程安全的。

属性注入技术

属性注入（Property Injection）是基于关联对象的一种高级应用，它允许在运行时动态地为类添加属性，并且可以像访问普通属性一样访问这些动态添加的属性。

属性注入通常用于一些特殊的场景，比如在运行时根据不同的条件为对象添加不同的属性，或者为已有的类添加一些扩展属性而不需要修改类的定义。

下面我们通过一个更复杂的例子来展示属性注入技术：

#import <objc/runtime.h>
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface Person : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end

@implementation Person
@end

@interface Person (DynamicProperties)
@property (nonatomic, assign) NSInteger age;
@end

@implementation Person (DynamicProperties)
static char AgeKey;

- (void)setAge:(NSInteger)age {
    objc_setAssociatedObject(self, &AgeKey, @(age), OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN);
}

- (NSInteger)age {
    NSNumber *number = objc_getAssociatedObject(self, &AgeKey);
    return number.integerValue;
}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person = [[Person alloc] init];
        person.name = @"John";
        person.age = 30;
        
        NSLog(@"Name: %@, Age: %ld", person.name, (long)person.age);
    }
    return 0;
}

在这个例子中，我们为Person类添加了一个动态属性age。通过分类和关联对象技术，我们实现了属性的注入，使得Person类在运行时拥有了一个原本不存在的属性。

关联对象与属性注入的应用场景

扩展已有类的功能：当你无法修改某个类的源代码，但又需要为其添加一些额外的属性或功能时，关联对象和属性注入是非常有用的。例如，你可以为UIView添加一个自定义的属性来存储一些与视图相关的额外数据，而不需要继承UIView。
运行时配置：在某些情况下，你可能需要根据运行时的条件动态地为对象添加属性。比如，根据用户的设置或网络请求的结果，为对象添加不同的属性。
AOP（面向切面编程）：关联对象可以用于实现AOP的一些功能，比如在方法调用前后添加一些额外的逻辑。通过为对象添加关联对象来存储切面逻辑的相关信息，然后在方法调用时进行相应的处理。

关联对象的内存管理

关联对象的内存管理依赖于所使用的关联策略。例如，当使用OBJC_ASSOCIATION_RETAIN或OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC策略时，关联对象会被强引用，当目标对象被释放时，关联对象也会被释放。

然而，当使用OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN策略时，关联对象不会被强引用，这可能会导致悬空指针的问题。如果关联对象在目标对象之前被释放，访问关联对象时可能会导致程序崩溃。

为了避免这种情况，你需要确保关联对象的生命周期与目标对象相匹配，或者在目标对象的dealloc方法中手动清理关联对象。例如：

#import <objc/runtime.h>
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface NSObject (AssociatedObject)
@property (nonatomic, assign) NSObject *associatedObject;
@end

@implementation NSObject (AssociatedObject)
static char AssociatedObjectKey;

- (void)setAssociatedObject:(NSObject *)associatedObject {
    objc_setAssociatedObject(self, &AssociatedObjectKey, associatedObject, OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN);
}

- (NSObject *)associatedObject {
    return objc_getAssociatedObject(self, &AssociatedObjectKey);
}

- (void)dealloc {
    objc_setAssociatedObject(self, &AssociatedObjectKey, nil, OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN);
}
@end

在这个例子中，我们在dealloc方法中手动将关联对象设置为nil，以避免悬空指针的问题。

关联对象与KVO（Key - Value Observing）

KVO是Objective-C中一种基于观察者模式的机制，用于监听对象属性的变化。关联对象本身并不直接支持KVO，因为它们不是对象内存布局的一部分，KVO无法自动检测到关联对象的变化。

然而，你可以通过手动实现KVO来监听关联对象的变化。例如，你可以在设置关联对象的方法中手动发送KVO通知：

#import <objc/runtime.h>
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface NSObject (AssociatedObject)
@property (nonatomic, strong) NSString *associatedString;
@end

@implementation NSObject (AssociatedObject)
static char AssociatedStringKey;

- (void)setAssociatedString:(NSString *)associatedString {
    NSString *oldValue = self.associatedString;
    objc_setAssociatedObject(self, &AssociatedStringKey, associatedString, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
    [self willChangeValueForKey:@"associatedString"];
    [self didChangeValueForKey:@"associatedString"];
}

- (NSString *)associatedString {
    return objc_getAssociatedObject(self, &AssociatedStringKey);
}
@end

在这个例子中，我们在设置关联对象时手动发送了KVO通知，使得其他对象可以监听associatedString属性的变化。

关联对象与性能

使用关联对象和属性注入技术时，需要注意性能问题。由于关联对象的存储和访问依赖于全局的哈希表，每次设置或获取关联对象都需要进行哈希查找操作，这比访问普通属性的开销要大。

此外，如果在一个循环中频繁地设置或获取关联对象，性能问题可能会更加明显。因此，在性能敏感的代码中，应该谨慎使用关联对象和属性注入技术，或者尽量减少对关联对象的频繁操作。

关联对象与线程安全

关联对象本身并不是线程安全的。如果多个线程同时访问或修改关联对象，可能会导致数据竞争和未定义行为。

为了确保线程安全，你可以使用锁机制来保护对关联对象的访问。例如，使用@synchronized关键字：

#import <objc/runtime.h>
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface NSObject (AssociatedObject)
@property (nonatomic, strong) NSString *associatedString;
@end

@implementation NSObject (AssociatedObject)
static char AssociatedStringKey;

- (void)setAssociatedString:(NSString *)associatedString {
    @synchronized(self) {
        objc_setAssociatedObject(self, &AssociatedStringKey, associatedString, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
    }
}

- (NSString *)associatedString {
    @synchronized(self) {
        return objc_getAssociatedObject(self, &AssociatedStringKey);
    }
}
@end

在这个例子中，我们使用@synchronized来确保在同一时间只有一个线程可以访问或修改关联对象，从而保证了线程安全。

关联对象的局限性

不支持继承：关联对象是基于对象实例的，而不是基于类的。这意味着如果你为一个对象设置了关联对象，它的子类并不会自动继承这个关联对象。
性能开销：如前所述，关联对象的访问和存储涉及哈希查找等操作，相比于普通属性有更高的性能开销。
调试困难：由于关联对象不是对象内存布局的一部分，在调试时可能不太容易直接查看和分析关联对象的状态。

关联对象与runtime其他特性的结合

与Method Swizzling结合：Method Swizzling是一种在运行时替换方法实现的技术。可以结合关联对象，在方法替换时为对象添加一些额外的上下文信息。例如，在替换UIViewController的viewDidLoad方法时，可以使用关联对象为其添加一些自定义的初始化数据。
与动态方法解析结合：动态方法解析允许在运行时为对象动态添加方法。可以利用关联对象来存储动态方法所需的数据，从而实现更灵活的动态方法调用。

示例：使用关联对象实现对象间的动态绑定

假设我们有两个类A和B，在运行时我们希望A类的实例能够动态地与B类的实例进行绑定，并通过A类的实例访问B类实例的某些属性。

#import <objc/runtime.h>
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface B : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *bProperty;
@end

@implementation B
@end

@interface A : NSObject
@property (nonatomic, strong) B *associatedB;
@end

@implementation A
static char AssociatedBKey;

- (void)setAssociatedB:(B *)associatedB {
    objc_setAssociatedObject(self, &AssociatedBKey, associatedB, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}

- (B *)associatedB {
    return objc_getAssociatedObject(self, &AssociatedBKey);
}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        A *a = [[A alloc] init];
        B *b = [[B alloc] init];
        b.bProperty = @"Hello from B";
        
        a.associatedB = b;
        
        NSLog(@"Accessed from A: %@", a.associatedB.bProperty);
    }
    return 0;
}

在这个示例中，通过关联对象实现了A类实例与B类实例的动态绑定，使得A类实例可以访问B类实例的属性。

示例：基于属性注入的插件化开发

假设我们正在开发一个插件化的应用，主程序中有一个PluginManager类，不同的插件可以通过属性注入为PluginManager添加自定义的属性和功能。

#import <objc/runtime.h>
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface PluginManager : NSObject
@end

@implementation PluginManager
@end

// 插件1
@interface PluginManager (Plugin1)
@property (nonatomic, assign) NSInteger plugin1Value;
@end

@implementation PluginManager (Plugin1)
static char Plugin1ValueKey;

- (void)setPlugin1Value:(NSInteger)plugin1Value {
    objc_setAssociatedObject(self, &Plugin1ValueKey, @(plugin1Value), OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN);
}

- (NSInteger)plugin1Value {
    NSNumber *number = objc_getAssociatedObject(self, &Plugin1ValueKey);
    return number.integerValue;
}
@end

// 插件2
@interface PluginManager (Plugin2)
@property (nonatomic, copy) NSString *plugin2String;
@end

@implementation PluginManager (Plugin2)
static char Plugin2StringKey;

- (void)setPlugin2String:(NSString *)plugin2String {
    objc_setAssociatedObject(self, &Plugin2StringKey, plugin2String, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
}

- (NSString *)plugin2String {
    return objc_getAssociatedObject(self, &Plugin2StringKey);
}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        PluginManager *manager = [[PluginManager alloc] init];
        manager.plugin1Value = 100;
        manager.plugin2String = @"Plugin 2 data";
        
        NSLog(@"Plugin 1 Value: %ld", (long)manager.plugin1Value);
        NSLog(@"Plugin 2 String: %@", manager.plugin2String);
    }
    return 0;
}

在这个示例中，不同的插件通过属性注入为PluginManager添加了不同的属性，实现了插件化开发的灵活性。

通过以上内容，我们详细探讨了Objective-C运行时中的关联对象与属性注入技术，包括它们的原理、应用场景、内存管理、性能以及与其他runtime特性的结合等方面，并通过丰富的代码示例进行了说明。希望这些内容能帮助你更好地理解和应用这两项强大的技术。