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Objective-C Category 的实现原理

雷纯锋发表于 2015-05-18 00:20:57

对设计模式有一定了解的朋友应该听说过装饰模式，Objective-C 中的 Category 就是对装饰模式的一种具体实现。它的主要作用是在不改变原有类的前提下，动态地给这个类添加一些方法。在 Objective-C 中的具体体现为：实例（类）方法、属性和协议。是的，在 Objective-C 中可以用 Category 来实现协议。本文将结合 runtime（我下载的是当前的最新版本 objc4-646.tar.gz) 的源码来探究它实现的原理。

使用场景

根据苹果官方文档对 Category 的描述，它的使用场景主要有三个：

给现有的类添加方法；
将一个类的实现拆分成多个独立的源文件；
声明私有的方法。

其中，第 1 个是最典型的使用场景，应用最广泛。

注：Category 有一个非常容易误用的场景，那就是用 Category 来覆写父类或主类的方法。虽然目前 Objective-C 是允许这么做的，但是这种使用场景是非常不推荐的。使用 Category 来覆写方法有很多缺点，比如不能覆写 Category 中的方法、无法调用主类中的原始实现等，且很容易造成无法预估的行为。

实现原理

我们知道，无论我们有没有主动引入 Category 的头文件，Category 中的方法都会被添加进主类中。我们可以通过 - performSelector: 等方式对 Category 中的相应方法进行调用，之所以需要在调用的地方引入 Category 的头文件，只是为了“照顾”编译器同学的感受。

下面，我们将结合 runtime 的源码探究下 Category 的实现原理。打开 runtime 源码工程，在文件 objc-runtime-new.mm 中找到以下函数：

void _read_images(header_info **hList, uint32_t hCount)
{
    ...
        _free_internal(resolvedFutureClasses);
    }

    // Discover categories. 
    for (EACH_HEADER) {
        category_t **catlist =
            _getObjc2CategoryList(hi, &count);
        for (i = 0; i < count; i++) {
            category_t *cat = catlist[i];
            Class cls = remapClass(cat->cls);

            if (!cls) {
                // Category's target class is missing (probably weak-linked).
                // Disavow any knowledge of this category.
                catlist[i] = nil;
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: IGNORING category \?\?\?(%s) %p with "
                                 "missing weak-linked target class",
                                 cat->name, cat);
                }
                continue;
            }

            // Process this category. 
            // First, register the category with its target class. 
            // Then, rebuild the class's method lists (etc) if 
            // the class is realized. 
            BOOL classExists = NO;
            if (cat->instanceMethods ||  cat->protocols
                ||  cat->instanceProperties)
            {
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);
                if (cls->isRealized()) {
                    remethodizeClass(cls);
                    classExists = YES;
                }
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: found category -%s(%s) %s",
                                 cls->nameForLogging(), cat->name,
                                 classExists ? "on existing class" : "");
                }
            }

            if (cat->classMethods  ||  cat->protocols
                /* ||  cat->classProperties */)
            {
                addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi);
                if (cls->ISA()->isRealized()) {
                    remethodizeClass(cls->ISA());
                }
                if (PrintConnecting) {
                    _objc_inform("CLASS: found category +%s(%s)",
                                 cls->nameForLogging(), cat->name);
                }
            }
        }
    }

    // Category discovery MUST BE LAST to avoid potential races 
    // when other threads call the new category code before 
    // this thread finishes its fixups.

    // +load handled by prepare_load_methods()

    ...
}

从第 27-58 行的关键代码，我们可以知道在这个函数中对 Category 做了如下处理：

将 Category 和它的主类（或元类）注册到哈希表中；
如果主类（或元类）已实现，那么重建它的方法列表。

在这里分了两种情况进行处理：Category 中的实例方法和属性被整合到主类中；而类方法则被整合到元类中（关于对象、类和元类的更多细节，可以参考我前面的博文《Objective-C 对象模型》）。另外，对协议的处理比较特殊，Category 中的协议被同时整合到了主类和元类中。

我们注意到，不管是哪种情况，最终都是通过调用 static void remethodizeClass(Class cls) 函数来重新整理类的数据的。

static void remethodizeClass(Class cls)
{
    ...
                         cls->nameForLogging(), isMeta ? "(meta)" : "");
        }

        // Update methods, properties, protocols

        attachCategoryMethods(cls, cats, YES);

        newproperties = buildPropertyList(nil, cats, isMeta);
        if (newproperties) {
            newproperties->next = cls->data()->properties;
            cls->data()->properties = newproperties;
        }

        newprotos = buildProtocolList(cats, nil, cls->data()->protocols);
        if (cls->data()->protocols  &&  cls->data()->protocols != newprotos) {
            _free_internal(cls->data()->protocols);
        }
        cls->data()->protocols = newprotos;

        _free_internal(cats);
    }
}

这个函数的主要作用是将 Category 中的方法、属性和协议整合到类（主类或元类）中，更新类的数据字段 data() 中 method_lists（或 method_list）、properties 和 protocols 的值。进一步，我们通过 attachCategoryMethods 函数的源码可以找到真正处理 Category 方法的 attachMethodLists 函数：

static void
attachMethodLists(Class cls, method_list_t **addedLists, int addedCount,
                  bool baseMethods, bool methodsFromBundle,
                  bool flushCaches)
{
    ...
        newLists[newCount++] = mlist;
    }

    // Copy old methods to the method list array
    for (i = 0; i < oldCount; i++) {
        newLists[newCount++] = oldLists[i];
    }
    if (oldLists  &&  oldLists != oldBuf) free(oldLists);

    // nil-terminate
    newLists[newCount] = nil;

    if (newCount > 1) {
        assert(newLists != newBuf);
        cls->data()->method_lists = newLists;
        cls->setInfo(RW_METHOD_ARRAY);
    } else {
        assert(newLists == newBuf);
        cls->data()->method_list = newLists[0];
        assert(!(cls->data()->flags & RW_METHOD_ARRAY));
    }
}

这个函数的代码量看上去比较多，但是我们并不难理解它的目的。它的主要作用就是将类中的旧有方法和 Category 中新添加的方法整合成一个新的方法列表，并赋值给 method_lists 或 method_list 。通过探究这个处理过程，我们也印证了一个结论，那就是主类中的方法和 Category 中的方法在 runtime 看来并没有区别，它们是被同等对待的，都保存在主类的方法列表中。

不过，类的方法列表字段有一点特殊，它的结构是联合体，method_lists 和 method_list 共用同一块内存地址。当 newCount 的个数大于 1 时，使用 method_lists 来保存 newLists ，并将方法列表的标志位置为 RW_METHOD_ARRAY ，此时类的方法列表字段是 method_list_t 类型的指针数组；否则，使用 method_list 来保存 newLists ，并将方法列表的标志位置空，此时类的方法列表字段是 method_list_t 类型的指针。

// class's method list is an array of method lists
#define RW_METHOD_ARRAY       (1<<20)

union {
    method_list_t **method_lists;  // RW_METHOD_ARRAY == 1
    method_list_t *method_list;    // RW_METHOD_ARRAY == 0
};

看过我上一篇博文《Objective-C +load vs +initialize》的朋友可能已经有所察觉了。我们注意到 runtime 对 Category 中方法的处理过程并没有对 +load 方法进行什么特殊地处理。因此，严格意义上讲 Category 中的 +load 方法跟普通方法一样也会对主类中的 +load 方法造成覆盖，只不过 runtime 在自动调用主类和 Category 中的 +load 方法时是直接使用各自方法的指针进行调用的。所以才会使我们觉得主类和 Category 中的 +load 方法好像互不影响一样。因此，当我们手动给主类发送 +load 消息时，调用的一直会是分类中的 +load 方法，you should give it a try yourself 。

总结

Category 是 Objective-C 中非常强大的技术之一，使用得当的话可以给我们的开发带来极大的便利。很多著名的开源库或多或少都会通过给系统类添加 Category 的方式提供强大功能，比如 AFNetworking 、ReactiveCocoa 、 SDWebImage 等。但是凡事有利必有弊，正因为 Category 非常强大，所以一旦误用就很可能会造成非常严重的后果。比如覆写系统类的方法，这是 iOS 开发新手经常会犯的一个错误，不管在任何情况下，切记一定不要这么做，No zuo no die 。

参考链接

https://developer.apple.com/library/ios/documentation/General/Conceptual/DevPedia-CocoaCore/Category.html#//apple_ref/doc/uid/TP40008195-CH5-SW1 http://stackoverflow.com/questions/5272451/overriding-methods-using-categories-in-objective-c