1.什么是RunTime?
我们都知道，将源代码转换为可执行的程序，通常要经过三个步骤：编译、链接、运行。不同的编译语言，在这三个步骤中所进行的操作又有些不同。
C语言作为一门静态类语言，在编译阶段就已经确定了所有变量的数据类型，同时也确定好了要调用的函数，以及函数的实现。
而Objective-C语言是一门动态语言。在编译阶段并不知道变量的具体数据类型，也不知道所真正调用的哪个函数。只有在运行时间才能检查变量的数据类型，同时在运行时才会根据函数名查找要调用的具体函数。在这样在程序没运行的时候，我们并不知道调用一个方法具体会发生什么。
Objective-C语言把一些决定性的工作从编译阶段、链接阶段推迟到运行时阶段的机制，使得Objective-C变得跟家灵活，我们甚至可以在程序运行的时候，动态的去修改一个方法的实现，这也为大为流行的热更新提供了可能性。
要实现Objective-C语言 运行时机制的一切基础就是Runtime。
Runtime实际上是一个库，这个库使我们可以在程序运行时动态的创建对象、检查对象，修改类和对象的方法。
2.消息机制的基本原理
Objective-C 语言中，对象方法调用都是类似[receiver selector];的形式 ，其本质就是让对象在运行时发生消息的过程。
我们来看看方法调用[receiver selector];在编译阶段和运行阶段分别做了什么？
1.编译阶段：【receiver selector】；方法被编译器转换为：objc_msgSend(receiver, selector)(不带参数) objc_msgSend(receiver, selector, org1,org2, …)(带参数)
2.运行时阶段：消息接受者recever寻找对应的selector。
? 1.通过recevier的isa指针找到receiver的Class（类）；
? 2.在Class(类)的method list（方法列表）中找对应的selector；
? 3.如果在Class（类）中没有找到这个selector，就继续在他的superClass（父类）中寻找；
? 4.一旦找到对应的selector，直接执行recever对应selector方法实现的IMP（方法实现）。
? 5.若找不到对应的selector，消息被转发或者临时向recever添加这个selector对应的实现方法，否则就会发生崩溃。
上述这个过程中涉及了好几个新的概念：objc_msgSend、isa指针、Class（类）、IMP（方法实现）等，下面我们来具体讲解一下各个概念的含义。
3.Runtime中的概念解析
objc_msgSend
所有Objective-C方法调用在编译时都会转化为对C函数objc_msgSend的调用。
objc_msgSend(receiver, selector);是[receiver selector];对应的C函数。
3.2 Class（类）
在objc/runtime.h 中，Class（类）被定义为指向objc_class结构体的指针，objc_class结构体的数据结构如下：
An opaque type that represents an Objective-C class
typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class {
Class _Nonnull isa;
#if !__OBJC2__
Class _Nullable super_class;
const char * _Nonnull name;
long version;
long info;
long instance_size;
struct objc_ivar_list * _Nullable ivars;
struct objc_method_list *_Nullable * _Nullable methodLists;
struct objc_cache * _Nonnull cache;
struct objc_protocol_list *_Nullable protocols;
#endif
};
从中可以看出，objc_class 结构体 定义了很多变量：自身的所有实例变量（ivars）、所有方法定义（methodLists）、遵守的协议列表（protocols）等。objc_class结构体 存放的数据称为元数据（metadata）。
Objc_class结构体的第一个成员变量isa指针，这里保存的就是objc_class结构体的实例指针，而实例换个名字就是对象。换句话说，Class（类）的本质其实就是一个对象，我们称之为类对象。
Object对象
接下来，我们再来看看objc/objc.h中关于Object（对象）的定义。
Object（对象）被定义为objc_object结构体，其数据结构如下：
/// Represents an instance of a class
struct objc_object {
Class _Nonnull isa; // objc_object 结构体的实例指针
}；
/// Apointer to an instance of a class
typedef struct objc_object *id;
这里的id被定义为一个指向objc_object结构体的指针。从中可以看出objc_object结构体只包含一个Class类型的isa指针。
换句话说，一个Object（对象）唯一保存的就是它所属Class（类）的地址。当我们对一个对象，进行方法调用时，比如[receiver selector];它会通过objc_object结构体的isa指针去找对应的object_class结构体，然后在object_class结构体的methodLists（方法列表）中找到我们调用的方法，然后执行。
Meta Class（元类）
从上边我们看出，对象（objc_object 结构体）的isa指针指向的是对应的类对象（object_class 结构体）。那么类对象（object_class 结构体）的isa指针又指向什么呢？
Object_class 结构体 的isa指针 实际上指向的是类对象自身的Meta Class(元类).
那什么是Meta Class（元类）？
Meta Class（元类）就是一个类对象所属的类。一个对象所属的类叫做类对象，而一个类对象所属的类叫做元类。
Runtime中被类对象所属类型就叫做Meta Class（元类），用于描述类休息本身所具有的特征，而在元类的methodLists中，保存了类的方法链表，即所谓的[类方法]。并且类对象的isa指针指向的就是元类。每个类对象有且只有一个与之相关的元类。
在消息机制的基本原理中我们讲解了对象方法的调用过程，我们是通过对象的isa指针找到对应的Class（类）；然后在Class（类）的method list(方法列表)中找对应的selector。
而类方法的调用过程和对象方法调用差不多，流程如下：
1.通过类对象isa指针找到所属的Meta Class（元类）；
2.在 Meta Class（元类）的method list（方法列表）中找到对应的selector；
3.执行对应的selector。
下面看一个示例：
NSString *testString = [NSString stringWithFormat:@"%d, %S", 3, "test"];
上边的示例中，stringWithFormat:被发送给了NSString类。NSString类通过isa指针找到NSString元类，然后在该元类的方法列表中找到了对应的stringWithFormat：方法，然后执行该方法。
实例对象、类、元类之间的关系
上面，我们讲解了实例对象（Object）、类（Class）、Meta Class（元类）的基本概念，以及简单的指向关系。下面我们通过一张图来清晰地表示出这种关系。
我们先来看isa指针：
1.水平方向上，每一级中的实例对象的isa指针指向了对应的类对象，而类对象的isa指针指向了对应的元类。而所有元类的isa指针最终指向了NSObject元类，因此NSObject元类也被称为根源类。
2.垂直方向上，元类的isa指针都指向了根元类。而根源类的isa指针又指向了自己。
我们再来看父类指针：
1.类对象的父类指针指向了父亲的类对象，父亲的类对象又指向了根类的类对象，根类的类对象最终指向了nil。
2.元类的父类指针指向了父类对象的元类，父类对象的元类的父类指针指向了根类对象的元类，也就是根元类。而根元类的父亲指针指向了根类对象，最终指向了nil。
方法（Method）
Object_class结构体的methodLists（方法列表）中存放的元素就是方法（Method）。
先来看下objc/runtimr.h中，表示方法（Method）的objc_method结构体：
/// An opaque type that represents a method in a class definition.
/// 代表类定义中一个方法的不透明类型
typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method {
SEL _Nonnull method_name; // 方法名
char * _Nullable method_type; // 方法类型
IMP _Nonnull method_imp; // 方法实现
}；
1.SEL method_name; // 方法名
/// An opaque type that represents a method selector。
typedef struct objc_selector *SEL；
SEL 是一个指向objc_selector 结构体的指针，但是在runtime相关头文件中并没有找到明确的定义。不过，通过测试我们可以得出：SEL只是一个保存方法名的字符串。
SEL sel = @selector（viewDidLoad）;
NSLog("%s", sel); //. 输出：viewDidLoad
SEL sel1 = @selector(test);
NSLog("%s", sel1); // 输出：test
// IMP method_imp; //.方法实现
/// A pointer to the function of a method implementation.
#if ！OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ...*/ );
#else
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...);
#endif
IMP的实质是一个函数指针，所指向的就是方法的实现。IMP用来找到函数地址，然后执行函数。
1.char * method_types; // 方法类型
方法类型 method_types 是个字符串，用来存储方法的参数类型和返回值类型。
到这里，Method的结构就已经很清楚了，Method将SEL（方法名)和IMP（函数指针）关联起来，当对一个对象发送消息时。会通过给出的SEL（方法名）去找到IMP（函数指针），然后执行。
Runtime消息转发
在消息机制的基本原理最后一步我们提到：若找不到对应的selector，消息被转发或者临时向recever添加这边selector对应的实现方法，否则就会发生崩溃。
当一个方法找不到的时候，Runtime提供了消息动态解析、消息接受者重定向、消息重定向 等三步处理消息，具体流程如下图所示：
消息动态解析
Objective-C 运行时会调用 +resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod:,让你有机会提供一个函数实现。我们可以通过重写这两个方法，添加其他函数实现，并返回YES，那运行时系统就会重新启动一次消息发送的过程。
主要用的方法如下：
// 类方法未找到时调起，可以在此添加类方法实现
+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel;
// 对象方法未找到时调起，可以在此对象方法实现
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel;
/**
*class_addMethod 向具有给定名称和实现的类中添加新方法
*@param cls 被添加方法的类
*@param name selector 方法名
*@param imp 实现方法的函数指针
*@param types imp 指向函数的返回值与参数类型
*@return 如果添加方法成功返回YES，否则返回NO
*/
BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char * _Nullable types);
Exp:
#import "ViewController.h"
#include "objc/runtimr.h"
@interface Person:NSObject
- (void)fun;
@end
@implementation Persion
- (void)fun {
NSLog(@"fun");
}
@end
@interface ViewController ()
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// 执行 fun 方法
[self performSelector:@selector(fun)];
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
return YES;// 为了进行下一步 消息接受者重定向
}
//。消息接受者重定向
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
if (aSelector == @selector(fun)) {
return [[Person alloc] init];
//. 返回Person 对象，让 person对象接收这个消息
}
return [super forwardingTargetForSelector:aSelector];
}
@end
// 打印结果；17:34:05.027800+0800 runtime[19495:8232512] fun
可以看到，虽然当前ViewController没有实现fun方法，+resolveInstanceMethod:也没有添加其他函数实现。但是我们通过 forwardingTargetForSelector 把当前 ViewController 的方法转发给了Person对象去执行了。打印结果也证明我们成功实现了转发。
我们通过 forwardingTargetForSelector 可以修改消息的接收者，该方法返回参数是一个对象，如果这个对象不是nil，也不是self，系统会将运行的消息转发给这个对象执行。否则，继续进行下一步：消息重定向流程。
消息重定向
如果进过消息动态解析、消息接受者重定向，Runtime系统还是找不到相应的方法实现而无法响应消息，Runtime系统会被利用-methodSignatureForSelector:方法获取函数的参数和返回值类型。
如果-methodSignatureForSelector:返回了一个NSMethodSignature对象（函数签名），Runtime系统就会创建一个NSI nvocation对象，并通过-forwardInvocation;消息通知当前对象，给予此次消息发送最后一次寻找IMP的机会。
如果 -methodSignatureForSelector:返回nil。则Runtime系统会发出-doesNotRecognizeSelector：消息，程序也就崩溃了。
所以我们可以在-forwardInvocation：方法中对消息进行转发。
用到的方法：
// 获取函数的参数和返回值类型，返回签名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector;
// 消息重定向
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation;
exp：
#import "ViewController.h"
#include "objc/runtimr.h"
@interface Persion : NSObject
- (void)fun;
@end
@implementation Persion: NSObject
- (void)fun;
@end
@implementation Person
- (void)fun {
NSLog(@"fun");
}
@end
@interface ViewController ()
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
// 执行fun函数
[self performSelector:@selector(fun)];
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
return YES; // 为了进行下一步 消息接受者重定向
}
- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector {
return nil; // 为了进行下一步 消息重定向
}
// 获取函数的参数和返回值类型，返回签名
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
if ([NSStringFromSelector(aSelector) isEqualToString:@"fun"]) {
return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
}
return [super methodSignatureForSelector:aSelector];
}
// 消息重定向
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation {
SEL sel = anInvocation.selector; // 从 anInvocation 中获取消息
Person *p = [[Person alloc] init];
if ([p respondsToSelector:sel]) { // 判断Person 对象方法是否可以响应 sel
[anInvocation invokeWithTarget:p]; //. 若可以响应，则将消息转发进行处理
} else {
[self doesNotRecognizeSelector:sel]; //. 若仍然无法响应，则报错；找不到响应方法
}
}
@end
// 打印结果：
13:23:06.935624+0800 runtime[30032:8724248] fun
可以看到，我们在 -forwardInvocation:方法里面让Person 对象去执行了 fun函数。
既然 - forwardingTargetForSelector:和 - forwardInvocation: 都可以将消息转发给其他对象处理，那么两者的区别在哪？
区别就在于 -forwardingTargetForSelector: 只能将消息转发给一个对象。而 -forwardInvocation: 可以将消息转发给多个对象。
以上就是Runtime消息转发的整个流程。
结合之前讲的 消息机制的基本原理，就构成了整个消息发送以及转发的流程。下面我们来总结一下整个流程。
消息发送以及转发机制总结
调用[receiver selector]；后，进行的流程：
1.编译阶段：[receiver selector]；方法被编译器转换为：
? objc_msgSend(receiver, selector) （不带参数）
? objc_msgSend(receiver, selector, org1, org2, …)（带参数）
2.运行时阶段：消息接受者recever寻找对应的selector。
? 通过 recevier的isa指针找到recevier的class（类）；
在class(类)的method_list（方法列表）中找对应的selector
? 如果在class（类）中没有找到这个selector，就继续在它的superclass（父类）中寻找；
一旦找到对应的selector，直接执行recever对应selector方法实现的IMP（方法实现）。
若找不到对应的selector，Runtime系统进入消息转发机制。
3.运行时消息转发阶段：
? 动态解析：通过重写+resolveInstanceMethod: 或者 +resolveClassMethod：方法，利用 class_addMethod 方法添加其他函数实现；
消息接受者重定向：如果上一步添加其他函数实现，可在当前对象利用 -forwardingTargetForSelector： 方法将消息的接受者转发给其他对象；
消息重定向：如果上一步没有返回值nil，则利用 -methodSignatureForSelector：方法获取函数的参数和返回值类型。
a.如果 -methodSignatureForSelector: 返回了一个 NSMethodSignature 对象（函数签名），Runtime系统就会创建一个NSInvocation 对象，给予此次消息发送最后一次寻找IMP的机会。
b如果 -methodSignatureForSelector: 返回 nil。则Runtime系统就会发出 -doesNotRecognizeSelector:消息，程序也就崩溃了。