Objective-C运行时中的Selector与IMP解析及其在性能优化中的应用

1. 理解 Objective-C 运行时

Objective-C 是一门动态语言，其运行时系统是核心所在。运行时系统在程序运行时动态地处理消息发送、动态方法解析、消息转发等机制。这与静态语言在编译时就确定函数调用的方式截然不同。

在运行时，对象接收到消息后，运行时系统会在该对象的类的方法列表中查找对应的实现。这个过程涉及到两个关键概念：Selector 和 IMP。

2. Selector 解析

2.1 Selector 的定义与本质

Selector 本质上是一个指向方法的唯一标识的指针。它在运行时用于标识一个方法的名称。在 Objective-C 中，当你向一个对象发送消息时，比如 [obj someMethod]，编译器会将 someMethod 转换为一个 Selector。

Selector 是通过 @selector() 表达式或者 NSSelectorFromString() 函数来创建的。例如：

SEL selector1 = @selector(viewDidLoad);
SEL selector2 = NSSelectorFromString(@"viewDidLoad");

这里 selector1 和 selector2 指向的是同一个 Selector，它们都标识了 viewDidLoad 这个方法。

Selector 的唯一性保证了在整个程序运行过程中，相同名称的方法对应同一个 Selector。这使得运行时系统能够高效地查找方法的实现。

2.2 Selector 的存储与查找

Selector 存储在全局的哈希表中。当创建一个新的 Selector 时，运行时系统会首先在哈希表中查找是否已经存在相同名称的 Selector。如果存在，则直接返回已有的 Selector；如果不存在，则创建一个新的 Selector 并插入到哈希表中。

这种存储和查找方式使得 Selector 的创建和比较操作都非常高效。由于 Selector 是基于哈希表查找的，所以即使在一个大型项目中，查找一个 Selector 的时间复杂度也近似为 O(1)。

3. IMP 解析

3.1 IMP 的定义与本质

IMP 是指向方法实现的指针。当运行时系统根据 Selector 在类的方法列表中找到对应的方法时，它会获取到该方法的 IMP。IMP 实际上是一个函数指针，指向具体实现该方法的代码块。

例如，假设有一个简单的类 Person：

@interface Person : NSObject
- (void)sayHello;
@end

@implementation Person
- (void)sayHello {
    NSLog(@"Hello!");
}
@end

当 [person sayHello] 这条消息发送时，运行时系统会找到 sayHello 方法对应的 IMP，这个 IMP 指向 -(void)sayHello 方法实现中的 NSLog(@"Hello!") 代码块。

3.2 IMP 与方法列表

每个类都维护着一个方法列表，这个列表中存储着该类及其父类的所有方法的 Selector 和 IMP 的对应关系。当对象接收到消息时，运行时系统首先在该对象所属类的方法列表中查找 Selector 对应的 IMP。如果在本类中没有找到，则会沿着继承链向父类的方法列表中查找，直到找到对应的 IMP 或者到达根类 NSObject。

4. Selector 与 IMP 的关系

Selector 和 IMP 是紧密关联的，但又有明确的分工。Selector 主要用于标识方法，在消息发送时作为查找方法实现的索引；而 IMP 则实际指向方法的具体实现代码。

当对象接收到消息时，运行时系统首先根据消息中的方法名生成 Selector，然后在对象所属类的方法列表中查找该 Selector 对应的 IMP。找到 IMP 后，就调用该 IMP 所指向的函数来执行方法的具体逻辑。

例如，对于以下代码：

@interface Dog : NSObject
- (void)bark;
@end

@implementation Dog
- (void)bark {
    NSLog(@"Woof!");
}
@end

Dog *dog = [[Dog alloc] init];
SEL barkSelector = @selector(bark);
IMP barkIMP = [dog methodForSelector:barkSelector];
void (*func)(id, SEL) = (void (*)(id, SEL))barkIMP;
func(dog, barkSelector);

这里首先通过 @selector(bark) 获取到 bark 方法的 Selector，然后通过 [dog methodForSelector:barkSelector] 获取到该 Selector 对应的 IMP。接着将 IMP 转换为函数指针 func，最后通过 func 调用方法，实现了手动模拟消息发送的过程。

5. 在性能优化中的应用

5.1 减少动态方法解析开销

在运行时，当对象接收到一个它无法立即响应的消息时，会触发动态方法解析。这个过程涉及到在类的方法列表中查找、动态添加方法等操作，会带来一定的性能开销。

通过提前缓存 Selector 和 IMP 的对应关系，可以减少动态方法解析的次数。例如，在一个频繁调用某个方法的场景中，可以在类的初始化阶段就获取到该方法的 IMP 并缓存起来。

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

@implementation MyClass {
    IMP _frequentMethodIMP;
}

+ (void)initialize {
    if (self == [MyClass class]) {
        SEL selector = @selector(frequentMethod);
        _frequentMethodIMP = [self instanceMethodForSelector:selector];
    }
}

- (void)frequentMethod {
    // 方法实现
}

- (void)callFrequentMethod {
    void (*func)(id, SEL) = (void (*)(id, SEL))_frequentMethodIMP;
    func(self, @selector(frequentMethod));
}
@end

这样在每次调用 callFrequentMethod 时，直接通过缓存的 IMP 调用方法，避免了每次都通过运行时查找 IMP 的开销。

5.2 方法交换与性能监控

通过方法交换（Method Swizzling）技术，可以在运行时替换类的某个方法的实现。这在性能监控、日志记录等方面有广泛应用。

例如，要监控某个类的 viewDidLoad 方法的执行时间，可以进行如下操作：

#import <objc/runtime.h>

@interface UIViewController (PerformanceMonitoring)
@end

@implementation UIViewController (PerformanceMonitoring)
+ (void)load {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        Class class = [self class];
        
        SEL originalSelector = @selector(viewDidLoad);
        SEL swizzledSelector = @selector(performance_monitoring_viewDidLoad);
        
        Method originalMethod = class_getInstanceMethod(class, originalSelector);
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(class, swizzledSelector);
        
        BOOL didAddMethod =
        class_addMethod(class,
                        originalSelector,
                        method_getImplementation(swizzledMethod),
                        method_getTypeEncoding(swizzledMethod));
        
        if (didAddMethod) {
            class_replaceMethod(class,
                                swizzledSelector,
                                method_getImplementation(originalMethod),
                                method_getTypeEncoding(originalMethod));
        } else {
            method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
        }
    });
}

- (void)performance_monitoring_viewDidLoad {
    NSDate *startDate = [NSDate date];
    [self performance_monitoring_viewDidLoad];
    NSTimeInterval duration = -[startDate timeIntervalSinceNow];
    NSLog(@"viewDidLoad took %f seconds", duration);
}
@end

通过这种方法交换，在每次 viewDidLoad 方法执行前后记录时间，从而实现对该方法性能的监控。

5.3 避免不必要的消息转发

消息转发是运行时的另一个重要机制，当对象无法响应某个消息时，会进入消息转发流程。消息转发分为动态方法解析、备用接收者和完整的消息转发三个阶段，每个阶段都有一定的性能开销。

为了避免不必要的消息转发，可以在类中实现 respondsToSelector: 方法，提前判断对象是否能够响应某个消息。例如：

@interface MyObject : NSObject
@end

@implementation MyObject
- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector {
    if (aSelector == @selector(someSpecialMethod)) {
        return YES;
    }
    return [super respondsToSelector:aSelector];
}
@end

这样在消息发送前，运行时系统会先调用 respondsToSelector: 方法，如果返回 NO，则直接进入消息转发流程；如果返回 YES，则继续查找 IMP 并执行方法。通过合理实现 respondsToSelector: 方法，可以减少不必要的消息转发，提高性能。

5.4 利用 IMP 进行直接函数调用

由于 IMP 是指向方法实现的函数指针，在某些性能敏感的场景中，可以直接通过 IMP 进行函数调用，而不是通过常规的消息发送机制。

例如，在一个循环中频繁调用某个方法：

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

@implementation Calculator
- (int)add:(int)a b:(int)b {
    return a + b;
}
@end

Calculator *calculator = [[Calculator alloc] init];
SEL addSelector = @selector(add:b:);
IMP addIMP = [calculator methodForSelector:addSelector];
int (*addFunc)(id, SEL, int, int) = (int (*)(id, SEL, int, int))addIMP;

for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
    int result = addFunc(calculator, addSelector, i, i + 1);
    // 处理结果
}

这种直接通过 IMP 进行函数调用的方式，避免了消息发送过程中的一些额外开销，在性能上比常规的消息发送方式有一定提升。不过，这种方式需要小心使用，因为它绕过了运行时的一些特性，如动态方法解析和消息转发。

6. 实际案例分析

6.1 大型项目中的性能瓶颈优化

假设在一个大型的 iOS 应用中，有一个频繁使用的视图控制器类 MainViewController。该类的 viewWillAppear: 方法包含了大量的初始化和数据加载操作，随着功能的不断增加，这个方法的执行时间越来越长，成为了应用的性能瓶颈。

通过使用方法交换技术，我们可以在 viewWillAppear: 方法前后记录时间，找出具体耗时的操作。

@interface MainViewController (Performance)
@end

@implementation MainViewController (Performance)
+ (void)load {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        Class class = [self class];
        
        SEL originalSelector = @selector(viewWillAppear:);
        SEL swizzledSelector = @selector(performance_viewWillAppear:);
        
        Method originalMethod = class_getInstanceMethod(class, originalSelector);
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(class, swizzledSelector);
        
        BOOL didAddMethod =
        class_addMethod(class,
                        originalSelector,
                        method_getImplementation(swizzledMethod),
                        method_getTypeEncoding(swizzledMethod));
        
        if (didAddMethod) {
            class_replaceMethod(class,
                                swizzledSelector,
                                method_getImplementation(originalMethod),
                                method_getTypeEncoding(originalMethod));
        } else {
            method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
        }
    });
}

- (void)performance_viewWillAppear:(BOOL)animated {
    NSDate *startDate = [NSDate date];
    [self performance_viewWillAppear:animated];
    NSTimeInterval duration = -[startDate timeIntervalSinceNow];
    NSLog(@"viewWillAppear took %f seconds", duration);
}
@end

通过分析日志，发现其中一个数据加载操作 loadUserData 方法耗时较长。进一步优化该方法，比如采用异步加载或者缓存数据的方式，从而提高了 viewWillAppear: 方法的性能。

6.2 优化频繁调用的工具类方法

假设有一个工具类 StringUtils，其中有一个方法 stringByTrimmingWhitespace: 用于去除字符串两端的空白字符，这个方法在整个应用中被频繁调用。

为了提高性能，可以在类的初始化阶段缓存该方法的 IMP。

@interface StringUtils : NSObject
+ (NSString *)stringByTrimmingWhitespace:(NSString *)string;
@end

@implementation StringUtils {
    IMP _trimIMP;
}

+ (void)initialize {
    if (self == [StringUtils class]) {
        SEL selector = @selector(stringByTrimmingWhitespace:);
        _trimIMP = [self methodForSelector:selector];
    }
}

+ (NSString *)stringByTrimmingWhitespace:(NSString *)string {
    return [string stringByTrimmingCharactersInSet:[NSCharacterSet whitespaceCharacterSet]];
}

+ (NSString *)cachedTrimString:(NSString *)string {
    NSString *(*func)(id, SEL, NSString *) = (NSString *(*)(id, SEL, NSString *))_trimIMP;
    return func(self, @selector(stringByTrimmingWhitespace:), string);
}
@end

在需要调用去除空白字符的地方，使用 [StringUtils cachedTrimString:] 方法，通过缓存的 IMP 直接调用方法，减少了每次查找 IMP 的开销，提高了性能。

7. 注意事项

7.1 方法交换的线程安全

在进行方法交换时，由于涉及到全局的类结构修改，需要注意线程安全。通常使用 dispatch_once 来确保方法交换只执行一次，并且在多线程环境下不会出现竞争条件。

7.2 IMP 缓存的更新

当类的方法实现发生变化时（例如通过动态方法解析动态添加了方法），缓存的 IMP 可能需要更新。否则，可能会导致调用到旧的方法实现，出现逻辑错误。

7.3 避免过度优化

虽然通过 Selector 和 IMP 进行性能优化可以带来一定的性能提升，但过度优化可能会导致代码可读性和维护性下降。在进行性能优化之前，需要通过性能分析工具（如 Instruments）确定真正的性能瓶颈，有针对性地进行优化。

通过深入理解 Objective-C 运行时中的 Selector 和 IMP，并合理运用它们在性能优化中的特性，可以有效地提升应用的性能，打造更加流畅、高效的用户体验。无论是在小型项目还是大型企业级应用中，这些优化技巧都具有重要的价值。