消息传递机制

在 iOS 应用开发中，消息传递是一种常见的通信方式。消息传递机制可以让不同对象之间进行通信，以实现程序的协调和交互。消息传递是一种基于 Objective-C 运行时的机制。Objective-C 运行时是一种运行时库，它允许程序在运行时进行动态类型检查、方法调用、消息传递等操作。Objective-C 运行时是 iOS 开发中的核心之一，它允许开发者在运行时动态创建和修改类、对象和方法等。

消息传递机制的核心是消息发送和消息接收。在 Objective-C 中，消息发送是通过调用对象的方法来完成的。当对象接收到消息后，它会根据消息所携带的信息来调用相应的方法。

消息发送和接收的过程

消息发送和接收的过程可以分为三个阶段：消息发送、消息转发和消息响应。下面将详细介绍这三个阶段。

消息发送

在 Objective-C 中，消息发送是通过调用对象的方法来完成的。调用一个对象的方法时，实际上是向这个对象发送了一条消息。在消息发送时，编译器会根据方法的名称和参数类型来生成一条消息。这条消息包含了方法的名称、参数类型和参数值等信息。

当发送一条消息时，运行时会首先在对象所属的类中查找方法的实现。如果找到了方法的实现，运行时会直接调用该方法。如果没有找到方法的实现，运行时会将消息转发给其他对象来处理。

消息转发

在消息转发阶段，运行时会将消息转发给其他对象来处理。消息转发可以分为两个步骤：动态方法解析和完整消息转发。

动态方法解析

动态方法解析是指在运行时动态添加方法的过程。如果运行时没有找到方法的实现，它会尝试通过动态方法解析来解决这个问题。在动态方法解析阶段，运行时会调用对象的 resolveInstanceMethod: 方法。可以在这个方法中动态添加方法的实现。如果成功添加了方法的实现，运行时会重新发送一条消息，这次能够找到方法的实现并调用它。

完整消息转发

如果动态方法解析无法解决问题，运行时会进入完整消息转发阶段。在完整消息转发阶段，运行时会调用对象的 forwardingTargetForSelector: 方法。可以在这个方法中返回另一个对象，这个对象将接收到原始对象所发送的消息。如果返回的对象无法处理这个消息，运行时会调用对象的 methodSignatureForSelector: 方法获取方法签名。方法签名包含了方法的返回值类型和参数类型等信息。

在获取到方法签名后，运行时会调用对象的 forwardInvocation: 方法。可以在这个方法中将消息转发给其他对象来处理。在 forwardInvocation: 方法中，可以调用其他对象的方法，或者创建一个新的方法来处理这个消息。如果无法处理这个消息，可以抛出一个异常，通知调用者消息处理失败。

消息响应

在消息响应阶段，运行时会根据方法签名来调用相应的方法。如果成功地将消息转发给了其他对象，那么这个对象将会接收到原始对象所发送的消息，并根据消息所携带的信息来调用相应的方法。

源码分析

在 iOS 中，消息传递机制主要由 Objective-C 运行时库来实现。Objective-C 运行时库是一个 C 语言库，它提供了一组 API 用于实现 Objective-C 对象的运行时行为，包括消息传递、类和对象的创建与销毁、属性访问等。

在 Objective-C 运行时库中，消息传递机制的实现主要涉及到以下几个重要的数据结构和函数：

• objc_msgSend 函数：用于发送消息并调用方法。
• IMP 类型：指向方法实现函数的指针。
• Method 结构体：表示一个方法的类型和实现函数。
• SEL 类型：表示方法名的唯一标识符。
• objc_object 结构体：表示 Objective-C 对象的基本结构。

objc_msgSend 函数

在 Objective-C 中，所有的方法调用都通过 objc_msgSend 函数来实现。该函数的定义如下：

id objc_msgSend(id self, SEL op, ...);

该函数接收三个参数：调用方法的对象 self、方法的唯一标识符 op、以及方法的参数列表。其中，方法的唯一标识符 op 是由编译器在编译时生成的，用于唯一标识方法名和参数类型。方法的参数列表是一个可变参数列表，用于传递方法的实际参数。

objc_msgSend 函数的主要作用是在运行时根据方法的唯一标识符 op 查找方法的实现函数 IMP，并调用该函数。在调用函数之前，还需要对参数进行类型匹配和转换，以保证方法能够正确地处理参数。这个过程是由运行时库自动完成的，通常不需手动介入。

需要注意的是，由于 objc_msgSend 函数的参数列表是一个可变参数列表，所以在使用该函数时需要特别小心，避免参数不匹配或参数类型错误的问题。

IMP 类型和 Method 结构体

在 Objective-C 中，每个方法都有一个实现函数 IMP，它是一个指向方法实现函数的指针。在运行时，Objective-C 运行时库会根据方法的唯一标识符 op 查找方法的实现函数 IMP，并调用该函数。
IMP 类型和 Method 结构体是 Objective-C 运行时库中与方法实现相关的两个重要数据结构。IMP 类型是一个指向方法实现函数的指针，而 Method 结构体则用于表示一个方法的类型和实现函数。
下面分别对这两个数据结构进行详细介绍。

• IMP 类型 IMP 类型定义如下：

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

其中，IMP 类型是一个函数指针类型，它接收三个参数：

id self：调用方法的对象。 SEL _cmd：方法的唯一标识符。 ...：方法的参数列表。 IMP 类型的函数指针指向方法的实现函数，它的作用是执行方法的具体实现。在使用 objc_msgSend 函数调用方法时，实际上就是通过 IMP 类型来调用方法的实现函数的。

需要注意的是，由于 IMP 类型是一个函数指针类型，所以在定义和使用时需要特别小心，避免参数不匹配或类型错误的问题。

• Method 结构体 Method 结构体用于表示一个方法的类型和实现函数，定义如下：

typedef struct objc_method *Method;

struct objc_method {
    SEL method_name;    // 方法名
    char *method_types; // 参数类型和返回值类型
    IMP method_imp;     // 方法实现函数指针
};

在 Method 结构体中，method_name 表示方法的唯一标识符，即方法名，method_types 表示方法的参数类型和返回值类型，method_imp 表示方法的实现函数指针，即 IMP 类型。

需要注意的是，由于 Method 结构体是一个 C 语言结构体，所以在定义和使用时需要特别小心，避免出现指针问题或内存泄漏等问题。

SEL 类型和 objc_object 结构体

在 Objective-C 中，方法的唯一标识符是由 SEL 类型表示的。SEL 类型是一个指向方法名的唯一标识符的指针，它用于在运行时根据方法名查找方法实现函数。

在 Objective-C 中，所有的对象都是继承自 objc_object 结构体的。objc_object 结构体是一个基本的 Objective-C 对象结构，用于表示对象的基本属性和方法。其定义如下：

struct objc_object {
    Class isa;
};

在 objc_object 结构体中，isa 表示对象的类，即该对象所属的类。在 Objective-C 中，每个对象都有一个 isa 指针，它指向该对象所属的类。在使用消息传递机制时，就是通过 isa 指针来查找对象所属的类和类中定义的方法的。

在 Objective-C 中，消息传递机制是通过 objc_msgSend 函数来实现的。当调用一个方法时，编译器会将该方法转换为对 objc_msgSend 函数的调用。下面是 objc_msgSend 函数的定义：

Copy code
id objc_msgSend(id self, SEL _cmd, ...);

objc_msgSend 函数接收三个参数：

• id self：调用方法的对象。
• SEL _cmd：方法的唯一标识符。
• ...：方法的参数列表。 调用一个方法时，编译器会将该方法转换为对 objc_msgSend 函数的调用，并将调用对象、方法名和方法参数等信息作为参数传递给 objc_msgSend 函数。objc_msgSend 函数会根据对象的类和方法名来查找该方法的实现函数，并执行该方法的实现函数。
  

消息传递机制会依次执行以下几个步骤：

• 查找方法实现函数。
  当调用一个方法时，首先会根据对象的类和方法名来查找该方法的实现函数。查找方法实现函数的过程是从对象所属的类开始，逐级向上查找，直到找到该方法的实现函数或者到达根类为止。如果找到该方法的实现函数，则将该方法的实现函数返回给 objc_msgSend 函数，否则会抛出“未实现方法”的异常。

• 执行方法实现函数。
  如果找到该方法的实现函数，则会执行该方法的实现函数，并将调用对象、方法名和方法参数等信息作为参数传递给该方法的实现函数。在方法实现函数中可以使用 self 关键字来引用调用对象，使用 _cmd 关键字来引用方法名。
  需要注意的是，在方法实现函数中，需要自行管理内存的分配和释放，避免出现内存泄漏或野指针等问题。

• 返回方法执行结果。
  当方法实现函数执行完毕后，会返回执行结果。如果方法没有返回值，则返回 nil，如果方法有返回值，则返回实际的返回值。
  需要注意的是，在使用消息传递机制时，由于方法实现函数的查找和执行是在运行时动态进行的，因此其效率较低。如果需要高效地调用方法，可以使用编译时方法调用机制，例如静态方法调用或函数指针调用等。

示例

假设有一个 Person 类，该类包含一个 name 属性和一个 sayHello 方法，现代码如下：

@interface Person : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *name;

- (void)sayHello;

@end

@implementation Person

- (void)sayHello;
@end

创建一个 Person 对象并调用其 sayHello 方法：

Person *person = [[Person alloc] init];
person.name = @"Jack";
[person sayHello];

首先创建一个 Person 对象，然后将 name 属性设置为 "Jack"，最后调用 sayHello 方法。

在调用 sayHello 方法时，编译器会将该方法转换为对 objc_msgSend 函数的调用，其转换后的代码如下：

objc_msgSend(person, @selector(sayHello));

调用了 objc_msgSend 函数，将 person 对象和 @selector(sayHello) 作为参数传递给 objc_msgSend 函数。

@selector(sayHello) 表示获取 sayHello 方法的唯一标识符，它是在编译时自动生成的。由于 Objective-C 使用动态绑定机制，所以方法的实现函数只能在运行时进行查找，因此需要使用唯一标识符来标识方法，从而能够在运行时正确地查找方法的实现函数。

在调用 objc_msgSend 函数后，消息传递机制会依次执行以下几个步骤：

• 查找方法实现函数。 首先，消息传递机制会从 person 对象所属的类 Person 开始，逐级向上查找 sayHello 方法的实现函数。在 Person 类中，定义了 sayHello 方法的实现函数，因此可以成功地找到该方法的实现函数。

• 执行方法实现函数。 找到 sayHello 方法的实现函数后，消息传递机制会执行该方法的实现函数，并将调用对象、方法名和方法参数等信息作为参数传递给该方法的实现函数。在 sayHello 方法的实现函数中，输出了一个问候语，然后使用 self.name 引用调用对象的 name 属性，并输出该属性的值。

• 返回方法执行结果。 在 sayHello 方法的实现函数执行完毕后，返回 nil。

以上示例通过消息传递机制成功地调用了 Person 类的 sayHello 方法，并输出了一个问候语和调用对象的 name 属性。

总结

在 iOS 开发中，消息传递机制是一种非常重要的机制，它能够实现动态绑定、多态和消息转发等功能。本文了解了消息传递机制的原理、实现方式以及使用方法，并通过示例代码进一步了解了消息传递机制的具体流程。
需要注意的是，在使用消息传递机制时，需要避免出现内存泄漏、野指针等问题，并注意方法实现函数的查找和执行效率问题。同时也可以通过静态方法调用的方式来提高方法调用的效率，并通过消息转发机制来处理无法处理的消息。
除此之外，还可以通过在消息传递过程中插入自定义的方法来实现 AOP、事件监听等功能。例如可以通过在 objc_msgSend 函数中插入一些代码来记录方法调用的日志、统计方法执行时间等信息，从而实现对方法的监控和管理。
在 iOS 开发中，消息传递机制的应用非常广泛，它不仅可以用于面向对象编程中的方法调用，还可以用于通知机制、KVO、通信框架等领域。因此，对消息传递机制的深入理解和掌握，对于 iOS 开发人员来说具有重要意义。