深入探索Objective-C方法交换与Hook技术

一、Objective-C 方法交换基础

1.1 运行时机制概述

Objective-C 是一门动态语言，其运行时（Runtime）机制为方法交换提供了底层支持。运行时机制在程序运行时动态地处理消息发送、动态方法解析等操作。每个 Objective-C 对象本质上是一个指向类结构的指针，类结构包含了对象的方法列表、属性列表等信息。当向一个对象发送消息时，运行时系统会在该对象的类方法列表中查找对应的方法实现。

1.2 方法交换的概念

方法交换，简单来说，就是将两个方法的实现进行互换。在 Objective-C 中，我们可以通过运行时函数来实现方法交换。这使得我们能够在不修改原有类代码的情况下，改变类的行为。例如，我们可以在系统类的某个方法中插入自定义的逻辑，而不需要去修改系统类的源码。

1.3 相关运行时函数

在 Objective-C 中，实现方法交换主要依赖于以下几个运行时函数：

• class_getInstanceMethod(Class cls, SEL name)：该函数用于获取指定类的实例方法。其中，cls 是要获取方法的类，SEL name 是方法的选择器。
• class_getClassMethod(Class cls, SEL name)：用于获取指定类的类方法。
• method_getImplementation(Method m)：获取方法的具体实现。
• method_setImplementation(Method m, IMP imp)：设置方法的具体实现。
• method_exchangeImplementations(Method m1, Method m2)：交换两个方法的实现。

二、方法交换的实现步骤

2.1 获取方法

要进行方法交换，首先需要获取要交换的两个方法。假设我们有一个自定义类 MyClass，其中有两个实例方法 originalMethod 和 swizzledMethod。

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface MyClass : NSObject
- (void)originalMethod;
- (void)swizzledMethod;
@end

@implementation MyClass
- (void)originalMethod {
    NSLog(@"This is the original method.");
}

- (void)swizzledMethod {
    NSLog(@"This is the swizzled method.");
}
@end

在进行方法交换时，我们使用 class_getInstanceMethod 函数来获取这两个方法：

Method originalMethod = class_getInstanceMethod([MyClass class], @selector(originalMethod));
Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod([MyClass class], @selector(swizzledMethod));

2.2 交换方法实现

获取到方法后，我们使用 method_exchangeImplementations 函数来交换它们的实现：

method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);

交换完成后，当我们调用 originalMethod 时，实际上会执行 swizzledMethod 的代码，反之亦然。

2.3 示例完整代码

下面是一个完整的示例，展示了如何进行方法交换：

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

@interface MyClass : NSObject
- (void)originalMethod;
- (void)swizzledMethod;
@end

@implementation MyClass
- (void)originalMethod {
    NSLog(@"This is the original method.");
}

- (void)swizzledMethod {
    NSLog(@"This is the swizzled method.");
}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Method originalMethod = class_getInstanceMethod([MyClass class], @selector(originalMethod));
        Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod([MyClass class], @selector(swizzledMethod));
        method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);

        MyClass *obj = [[MyClass alloc] init];
        [obj originalMethod]; // 此时会执行 swizzledMethod 的代码
        [obj swizzledMethod]; // 此时会执行 originalMethod 的代码
    }
    return 0;
}

运行上述代码，输出结果如下：

This is the swizzled method.
This is the original method.

这表明方法交换成功，调用 originalMethod 执行了 swizzledMethod 的代码，调用 swizzledMethod 执行了 originalMethod 的代码。

三、深入理解方法交换的原理

3.1 方法列表与选择器

在 Objective-C 运行时，每个类都维护着一个方法列表。方法列表是一个数组，其中的每个元素是一个 Method 结构体。Method 结构体包含了方法的选择器（SEL）和方法的实现（IMP）。选择器是一个唯一标识方法的字符串，运行时系统通过选择器来查找方法的实现。

当我们向一个对象发送消息时，运行时系统首先根据对象的类找到对应的方法列表，然后在方法列表中通过选择器查找方法的实现。如果在当前类的方法列表中没有找到，会沿着继承链向上查找，直到找到方法的实现或者到达根类 NSObject。

3.2 方法交换对方法列表的影响

方法交换本质上是修改了方法列表中方法的实现指针。当我们调用 method_exchangeImplementations 函数时，它会交换两个 Method 结构体中的 IMP 指针。这样，当运行时系统根据选择器查找方法实现时，就会找到交换后的实现。

例如，假设原来 originalMethod 的 IMP 指向代码块 A，swizzledMethod 的 IMP 指向代码块 B。方法交换后，originalMethod 的 IMP 指向代码块 B，swizzledMethod 的 IMP 指向代码块 A。所以，当调用 originalMethod 时，会执行代码块 B，调用 swizzledMethod 时，会执行代码块 A。

3.3 动态方法解析与方法交换的关系

Objective-C 支持动态方法解析。当运行时系统在方法列表中找不到方法的实现时，会尝试动态方法解析。它会调用类的 + (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel 或 + (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel 方法，允许我们在运行时动态添加方法的实现。

方法交换与动态方法解析是不同的机制，但它们都利用了 Objective-C 的动态特性。方法交换是在运行时修改已有的方法实现，而动态方法解析是在运行时添加新的方法实现。在某些情况下，我们可以结合这两种机制来实现更复杂的功能。

四、Hook 技术与方法交换

4.1 Hook 技术的概念

Hook 技术，也称为钩子技术，是一种在程序运行时拦截和修改系统或其他程序行为的技术。在 Objective-C 中，我们可以利用方法交换来实现 Hook 技术。通过将系统类或其他类的某个方法与我们自定义的方法进行交换，我们可以在调用原方法前后插入自定义的逻辑，从而达到 Hook 的目的。

4.2 利用方法交换实现 Hook 的场景

1. 日志记录：我们可以 Hook 系统类的某个方法，在方法调用前后记录日志，以便了解方法的调用情况。例如，Hook UIViewController 的 viewDidLoad 方法，记录每个视图控制器的加载时间。
2. 性能监测：Hook 一些关键方法，统计方法的执行时间，从而分析程序的性能瓶颈。比如，Hook NSURLConnection 的 sendAsynchronousRequest:queue:completionHandler: 方法，监测网络请求的耗时。
3. 功能增强：在不修改原有类代码的情况下，为系统类或其他类添加新的功能。例如，Hook UIImageView 的 setImage: 方法，在设置图片时自动进行图片的缓存处理。

4.3 Hook 系统类方法的示例

以 Hook UIViewController 的 viewDidLoad 方法为例，我们可以在应用启动时进行方法交换，实现对所有视图控制器 viewDidLoad 方法的 Hook：

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

@interface UIViewController (Hook)
@end

@implementation UIViewController (Hook)
+ (void)load {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        Class class = [self class];

        SEL originalSelector = @selector(viewDidLoad);
        SEL swizzledSelector = @selector(hooked_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)hooked_viewDidLoad {
    NSLog(@"Before viewDidLoad of %@", self);
    [self hooked_viewDidLoad];
    NSLog(@"After viewDidLoad of %@", self);
}
@end

在上述代码中，我们通过 dispatch_once 确保方法交换只执行一次。在 hooked_viewDidLoad 方法中，我们在调用原 viewDidLoad 方法前后记录了日志。这样，当任何 UIViewController 及其子类调用 viewDidLoad 方法时，都会执行我们插入的日志记录逻辑。

五、方法交换与 Hook 的注意事项

5.1 线程安全

方法交换和 Hook 操作可能会在多线程环境下进行，因此需要注意线程安全。在进行方法交换时，我们通常使用 dispatch_once 来确保交换操作只执行一次，避免在多线程环境下重复交换导致未定义行为。

例如，在上述 Hook UIViewController viewDidLoad 方法的示例中，我们使用 dispatch_once 来保证 load 方法中的方法交换逻辑只执行一次。如果不使用 dispatch_once，在多线程环境下可能会多次进行方法交换，导致方法实现混乱。

5.2 避免循环调用

在进行方法交换和 Hook 时，要特别注意避免循环调用。例如，在我们自定义的 Hook 方法中，调用原方法时一定要确保不会再次触发 Hook 逻辑，导致无限循环。

在 hooked_viewDidLoad 方法中，我们调用 [self hooked_viewDidLoad] 来执行原 viewDidLoad 方法。由于方法交换，此时 [self hooked_viewDidLoad] 实际执行的是原 viewDidLoad 方法的代码。如果不小心写成 [self viewDidLoad]，就会再次触发 hooked_viewDidLoad 方法，导致循环调用。

5.3 兼容性问题

当对系统类进行方法交换和 Hook 时，要注意系统版本的兼容性。不同版本的系统类可能有不同的方法实现和行为，某些方法可能在新的系统版本中被废弃或修改。

例如，在 iOS 13 之前，UIViewController 有 automaticallyAdjustsScrollViewInsets 属性，但在 iOS 13 及之后被废弃。如果我们在 Hook UIViewController 相关方法时依赖了这个属性，在 iOS 13 及之后的系统上可能会出现兼容性问题。因此，在进行方法交换和 Hook 时，要充分测试不同系统版本，确保兼容性。

5.4 内存管理

在方法交换和 Hook 过程中，要注意内存管理。如果在自定义的 Hook 方法中创建了新的对象或使用了动态分配的内存，要确保在适当的时候释放这些资源，避免内存泄漏。

例如，如果在 hooked_viewDidLoad 方法中创建了一个 NSMutableArray，在方法结束时要确保释放该数组，否则会导致内存泄漏。

六、高级应用场景

6.1 AOP（面向切面编程）

在 Objective-C 中，方法交换和 Hook 技术可以用于实现 AOP。AOP 是一种编程范式，它将横切关注点（如日志记录、性能监测、事务管理等）从业务逻辑中分离出来，以提高代码的可维护性和可重用性。

通过方法交换，我们可以在不修改业务逻辑代码的情况下，将横切关注点的代码插入到目标方法中。例如，我们可以定义一个通用的日志记录切面，通过方法交换将其应用到多个类的不同方法上，实现统一的日志记录功能。

6.2 热修复

热修复是指在应用发布后，通过动态更新代码来修复应用中的 bug，而不需要用户重新下载和安装应用。在 Objective-C 中，我们可以利用方法交换和 Hook 技术来实现热修复。

具体做法是，在应用启动时，通过网络下载修复补丁，补丁中包含了需要交换的方法和新的方法实现。然后，在应用内通过方法交换将原方法替换为修复后的方法，从而达到热修复的目的。

6.3 插件化

插件化是将应用的功能模块化，以插件的形式进行开发和管理。在 Objective-C 中，方法交换和 Hook 技术可以用于实现插件化。

例如，我们可以定义一个插件协议，插件通过实现该协议的方法来提供特定功能。在应用中，通过方法交换将插件的方法替换为应用中相应功能的方法，实现插件的动态加载和功能替换。这样，我们可以在不修改应用主代码的情况下，通过添加或更新插件来扩展应用的功能。

七、相关工具与框架

7.1 FishHook

FishHook 是一个用于在运行时替换函数指针的库，虽然它主要用于 C 函数，但原理与 Objective-C 的方法交换有相似之处。它通过修改 Mach-O 文件的加载命令，来替换函数的实现。在某些情况下，我们可以结合 FishHook 和 Objective-C 的运行时机制，实现更强大的 Hook 功能。

7.2 Aspect Oriented Programming for Objective-C (AOPOC)

AOPOC 是一个专门用于在 Objective-C 中实现 AOP 的框架。它基于运行时机制，提供了一种简洁的方式来进行方法拦截和横切关注点的实现。通过 AOPOC，我们可以更方便地将日志记录、性能监测等功能应用到目标方法上，而不需要手动编写复杂的方法交换代码。

7.3 Substrate

Substrate 是一个用于 iOS 应用 Hook 的框架，它提供了丰富的 API 来实现对系统类和应用内类的方法 Hook。Substrate 支持在越狱设备上进行更深入的 Hook 操作，例如 Hook 系统服务等。虽然它主要用于越狱开发，但其中的一些思想和技术对于非越狱环境下的方法交换和 Hook 也有一定的借鉴意义。

八、总结

Objective-C 的方法交换与 Hook 技术是非常强大的工具，它们利用了 Objective-C 的动态运行时机制，为我们提供了在运行时修改类行为的能力。通过方法交换，我们可以实现方法的替换、增强等功能；而 Hook 技术则可以让我们在不修改原有代码的情况下，对系统或其他类的行为进行拦截和修改。

在使用这些技术时，我们需要注意线程安全、避免循环调用、保证兼容性和正确的内存管理。同时，方法交换和 Hook 技术在 AOP、热修复、插件化等高级应用场景中有着广泛的应用。结合相关的工具和框架，我们可以更高效地利用这些技术，提升应用的开发效率和功能。希望通过本文的介绍，读者能够对 Objective-C 的方法交换与 Hook 技术有更深入的理解和掌握，在实际开发中灵活运用这些技术解决实际问题。