Objective-C类别与扩展在运行时中的实现原理
一、Objective-C 类别（Category）概述
在Objective-C编程中，类别（Category）是一种强大的特性，它允许我们在不继承类或修改原始类代码的情况下，为现有的类添加新的方法。类别在实际开发中应用广泛，比如在为系统类添加自定义功能，或者将一个庞大的类的方法进行模块化拆分等场景。
举例来说，如果我们有一个NSString类，想要为它添加一个判断字符串是否为邮箱格式的方法。通常情况下，我们不能直接修改NSString的源代码来添加这个方法，但使用类别就可以轻松实现。
@interface NSString (EmailValidation)
- (BOOL)isValidEmail;
@end
@implementation NSString (EmailValidation)
- (BOOL)isValidEmail {
NSString *emailRegex = @"[A-Z0-9a-z._%+-]+@[A-Za-z0-9.-]+\\.[A-Za-z]{2,4}";
NSPredicate *emailTest = [NSPredicate predicateWithFormat:@"SELF MATCHES %@", emailRegex];
return [emailTest evaluateWithObject:self];
}
@end
在其他地方使用时，就像这样：
NSString *testEmail = @"test@example.com";
BOOL isValid = [testEmail isValidEmail];
二、Objective-C 类别在运行时的实现原理
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类别在编译期的处理 在编译阶段，编译器会将类别中的方法声明收集起来。类别中的方法声明和类的普通方法声明类似，都会被记录在类的方法列表相关的数据结构中。不过，类别方法并不会像类的原生方法那样，在编译时就与类紧密绑定。
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运行时的类结构与方法列表 在Objective-C运行时，类是一个复杂的数据结构，其中包含了类的元数据、属性列表、方法列表等重要信息。类的方法列表存储在
method_list_t结构体中，每个方法在这个列表中有一个method_t结构体表示。
struct method_t {
SEL name;
const char *types;
IMP imp;
};
当一个类加载到运行时环境中时，它的原始方法列表已经确定。而类别在运行时，会在类的方法列表中进行动态插入。
- 类别方法的插入过程 当程序运行到加载类及其相关类别时，运行时系统会将类别中的方法插入到类的方法列表的前面。这就意味着，如果类别和原始类中存在同名方法，类别中的方法会优先被调用。这种插入机制的实现，主要依赖于运行时库中的相关函数。
例如，在objc-runtime-new.mm文件中，attachCategories函数负责将类别中的方法、属性和协议等信息合并到类中。它会遍历类的所有类别列表，将每个类别中的方法逐一插入到类的方法列表中。
static void attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches) {
if (!cats) return;
if (PrintReplacedMethods) printReplacements(cls, cats);
bool isMeta = cls->isMetaClass();
// fixme rearrange to remove these intermediate allocations
method_list_t **mlists = (method_list_t **)
malloc(cats->count * sizeof(*mlists));
property_list_t **proplists = (property_list_t **)
malloc(cats->count * sizeof(*proplists));
protocol_list_t **protolists = (protocol_list_t **)
malloc(cats->count * sizeof(*protolists));
// Count backwards through cats to get newest categories first
int mcount = 0;
int propcount = 0;
int protocount = 0;
int i = cats->count;
bool fromBundle = NO;
while (i--) {
auto& entry = cats->list[i];
method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
if (mlist) {
mlists[mcount++] = mlist;
fromBundle |= entry.hi->isBundle();
}
property_list_t *proplist = entry.cat->propertiesForMeta(isMeta);
if (proplist) {
proplists[propcount++] = proplist;
}
protocol_list_t *protolist = entry.cat->protocols;
if (protolist) {
protolists[protocount++] = protolist;
}
}
auto rw = cls->data();
prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle);
rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
free(mlists);
if (flush_caches && mcount > 0) flushCaches(cls);
rw->properties.attachLists(proplists, propcount);
free(proplists);
rw->protocols.attachLists(protolists, protocount);
free(protolists);
}
三、Objective-C 扩展（Extension）概述
扩展（Extension）是类别（Category）的一种特殊形式，也被称为匿名类别。与普通类别不同的是，扩展通常定义在类的实现文件（.m）中，并且可以声明实例变量和属性。
例如，对于一个Person类，我们可以在其实现文件中定义扩展：
@interface Person ()
@property (nonatomic, strong) NSString *secretInfo;
- (void)privateMethod;
@end
@implementation Person
- (void)privateMethod {
NSLog(@"This is a private method.");
}
@end
这里扩展中声明的secretInfo属性和privateMethod方法，对于外部代码来说是不可见的，只有Person类的实现文件内部可以使用。
四、Objective-C 扩展在运行时的实现原理
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扩展与类的绑定 扩展在编译时，其声明的属性、方法和实例变量会被编译器当作类的一部分来处理。与类别不同，扩展的方法、属性等信息在编译期就会与类紧密绑定，而不是在运行时动态插入。
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运行时对扩展信息的处理 在运行时，扩展中声明的属性会和类的其他属性一样，存储在类的属性列表中。方法也会被编译成与类的原生方法相同的形式，存储在类的方法列表中。
例如，扩展中声明的属性会在运行时通过objc_property_t结构体来表示，和类的其他属性一起构成类的属性列表。
typedef struct objc_property *objc_property_t;
扩展中声明的方法同样会以method_t结构体的形式存在于类的方法列表中，与类的原生方法并无本质区别。
五、类别与扩展的区别总结
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声明位置与可见性
- 类别：可以在任何地方声明，通常用于为系统类或其他外部类添加方法。类别中的方法对类的所有实例都是可见的。
- 扩展：一般在类的实现文件中声明，主要用于为类添加私有的属性、方法和实例变量。扩展中的内容对外部代码不可见，只有类的实现文件内部可以访问。
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实例变量声明
- 类别：不能声明实例变量。虽然类别可以通过关联对象（Associated Objects）来模拟添加实例变量的效果，但本质上并不是真正的实例变量。
- 扩展：可以声明实例变量，这些实例变量会成为类的一部分，在类的实例创建时会分配内存空间。
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方法冲突处理
- 类别：如果类别和类中存在同名方法，类别中的方法会优先被调用。在运行时，类别方法通过动态插入到类的方法列表前面来实现这种优先级。
- 扩展：由于扩展的方法在编译期就与类绑定，不存在运行时动态插入的过程。如果扩展和类中存在同名方法，编译器会报错，因为这被认为是重复定义。
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编译与运行时处理
- 类别：编译期收集方法声明，运行时动态将方法插入到类的方法列表中。
- 扩展：编译期将属性、方法和实例变量当作类的一部分进行处理，运行时与类的原生部分一样存储和访问。
六、类别与扩展在实际开发中的应用场景
- 类别在实际开发中的应用场景
- 为系统类添加功能：比如为
UIView类添加方便的截图方法。
- 为系统类添加功能：比如为
@interface UIView (Screenshot)
- (UIImage *)takeScreenshot;
@end
@implementation UIView (Screenshot)
- (UIImage *)takeScreenshot {
UIGraphicsBeginImageContextWithOptions(self.bounds.size, self.opaque, 0.0);
[self.layer renderInContext:UIGraphicsGetCurrentContext()];
UIImage *screenshot = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();
UIGraphicsEndImageContext();
return screenshot;
}
@end
- **将大型类的方法模块化**：当一个类的方法过多时，可以将相关方法分组到不同的类别中，提高代码的可读性和可维护性。例如，一个`User`类有很多与用户信息处理、用户界面展示相关的方法，可以将用户信息处理的方法放在`User (Info)`类别中，用户界面展示的方法放在`User (UI)`类别中。
2. 扩展在实际开发中的应用场景
- 添加私有属性和方法：在开发一个类时，有些属性和方法只希望在类的内部使用，不对外暴露。这时可以使用扩展来声明这些私有内容。比如一个NetworkManager类，有一些用于内部数据处理的私有方法和属性，可以通过扩展来定义。
@interface NetworkManager ()
@property (nonatomic, strong) NSMutableDictionary *cache;
- (void)processResponseData:(NSData *)data;
@end
@implementation NetworkManager
- (void)processResponseData:(NSData *)data {
// 内部数据处理逻辑
}
@end
- **对类进行功能增强但不希望影响外部接口**：有时候我们需要在类的实现文件内部对类进行一些额外的功能扩展，但又不想改变类的公开接口。扩展就可以很好地满足这个需求，因为外部代码无法访问扩展中的内容。
七、类别与扩展在运行时实现的注意事项
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类别方法冲突的风险 由于类别方法会在运行时插入到类的方法列表前面，如果多个类别中定义了同名方法，可能会导致难以预料的行为。例如，在一个项目中，如果两个不同的类别都为
NSString类添加了customMethod方法，那么运行时到底调用哪个类别中的customMethod方法，取决于最后加载的类别。为了避免这种情况，在命名类别方法时应尽量保证唯一性，或者在使用多个类别时，仔细规划方法的命名空间。 -
扩展中实例变量的访问控制 虽然扩展可以声明实例变量，但这些实例变量的访问控制需要注意。由于扩展通常定义在类的实现文件中，外部代码无法直接访问扩展中声明的实例变量。然而，如果不小心在类的公开方法中暴露了对这些实例变量的访问，可能会破坏类的封装性。因此，在使用扩展声明实例变量时，要确保对这些实例变量的访问仅限于类的内部实现。
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运行时性能影响 类别在运行时动态插入方法的过程，虽然带来了灵活性，但也会对性能有一定的影响。每次加载类别并插入方法时，运行时系统需要进行内存分配、列表插入等操作。特别是在应用启动时，如果有大量的类别需要加载和处理，可能会导致启动时间变长。因此，在使用类别时，要权衡功能需求和性能影响，避免过度使用类别导致性能问题。
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扩展与类的继承关系 扩展中声明的属性和方法会成为类的一部分，当类被继承时，子类也会继承扩展中的内容。这就需要在设计扩展时，考虑到子类可能的使用情况。如果扩展中的某些方法或属性不希望被子类继承，应该谨慎设计，或者通过其他方式实现相关功能，以保证类的继承体系的合理性和稳定性。
八、类别与扩展在不同版本运行时的变化
- 早期版本与现代版本运行时的差异 在早期的Objective-C运行时版本中，类别和扩展的实现机制相对简单。随着运行时库的不断发展和优化，现代版本在处理类别和扩展时更加高效和灵活。
例如，在早期版本中，类别方法的插入可能没有现在这么完善的机制，可能会在方法冲突处理、内存管理等方面存在一些不足。而现代运行时通过更加精细的方法列表管理和冲突检测机制，提高了类别使用的稳定性和可靠性。
- 运行时版本更新对开发的影响 随着运行时版本的更新，开发者在使用类别和扩展时可能需要注意一些兼容性问题。例如，某些在旧版本运行时中可行的技巧或行为，在新版本中可能不再适用。同时，新版本运行时可能引入了一些新的特性或优化，开发者可以利用这些改进来提升代码的性能和质量。
例如，在某些运行时版本更新后，对类别方法插入的顺序进行了调整，这可能会影响到一些依赖于方法调用顺序的代码逻辑。开发者需要根据新的运行时特性，对相关代码进行检查和调整，以确保应用的正常运行。
九、类别与扩展在内存管理方面的考量
- 类别中关联对象的内存管理 由于类别不能直接声明实例变量，开发者常常使用关联对象来为类别添加类似实例变量的功能。在使用关联对象时，需要注意内存管理。
例如，当使用objc_setAssociatedObject函数为对象设置关联对象时，需要指定关联策略。不同的关联策略决定了关联对象的内存管理方式。
void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)
如果选择了OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC策略，当设置关联对象时，系统会对关联对象进行retain操作，在对象释放时会自动release关联对象。如果选择了OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN策略，关联对象不会被retain，这可能会导致野指针问题，需要开发者自行管理关联对象的生命周期。
- 扩展中实例变量与属性的内存管理
扩展中声明的实例变量和属性，其内存管理遵循Objective-C的内存管理规则。对于强引用类型的属性，在对象创建时会对属性值进行
retain（ARC下为强引用），在对象释放时会自动release（ARC下自动释放）。
例如，对于扩展中声明的NSString *secretInfo属性，如果在ARC环境下，当对象释放时，secretInfo所指向的字符串对象会根据其引用计数情况自动释放。在MRC环境下，开发者需要在对象的dealloc方法中手动release该属性。
// MRC环境下
@implementation Person
- (void)dealloc {
[_secretInfo release];
[super dealloc];
}
@end
十、类别与扩展在多线程环境下的注意事项
- 类别方法的线程安全性 在多线程环境下，类别方法的调用可能会引发线程安全问题。由于类别方法是动态插入到类的方法列表中的，多个线程同时访问和调用类别方法时，如果方法内部涉及共享资源的操作，可能会导致数据竞争和不一致。
例如，如果一个类别为NSMutableArray类添加了一个addObjectAndSort方法，该方法在添加对象后对数组进行排序。如果多个线程同时调用这个方法，可能会导致数组数据的不一致。为了避免这种情况，可以使用锁机制（如@synchronized块）来保证方法在同一时间只有一个线程可以执行。
@interface NSMutableArray (ThreadSafeAddAndSort)
- (void)addObjectAndSort:(id)object;
@end
@implementation NSMutableArray (ThreadSafeAddAndSort)
- (void)addObjectAndSort:(id)object {
@synchronized(self) {
[self addObject:object];
[self sortUsingSelector:@selector(compare:)];
}
}
@end
- 扩展中属性和方法的线程安全性 扩展中声明的属性和方法同样需要考虑线程安全问题。如果扩展中的属性是共享资源，多个线程同时访问和修改该属性可能会导致数据错误。对于扩展中的方法，如果涉及对共享资源的操作，也需要进行适当的同步处理。
例如，扩展中声明的NSMutableDictionary *cache属性，如果多个线程同时对这个缓存字典进行读写操作，可能会导致数据不一致。可以通过使用线程安全的集合类（如NSCache）或者加锁的方式来保证线程安全。
@interface NetworkManager ()
@property (nonatomic, strong) NSCache *cache;
@end
@implementation NetworkManager
// 初始化cache等相关操作
@end
通过对Objective-C类别与扩展在运行时实现原理的深入剖析，以及对它们在实际开发中的应用场景、注意事项等方面的探讨，开发者可以更加准确和灵活地使用这两个强大的特性，编写出高质量、稳定且高效的Objective-C代码。无论是为系统类添加功能，还是对自定义类进行功能扩展和模块化管理，都能得心应手地运用类别和扩展，提升开发效率和代码的可维护性。同时，深入理解其运行时原理，也有助于在面对复杂问题和性能优化时，能够从本质上找到解决方案。