理解Objective-C Runtime(三)消息转发机制

消息转发机制概述

上一篇博客《消息传递机制》中讲解了Objective-C中对象的消息传递机制。本文需要讲解另外一个重要问题:当对象收到无法处理的消息会发生什么

显然,若想让类能理解某条消息,我们必须以程序代码实现出对应的方法才行。但是,在编译期向类发送了其无法理解解读的消息并不会报错,因为在运行期间允许继续向类中添加方法,所以,编译器在编译期间还无法确知类中到底会不会有某个方法的实现。当对象接收到无法理解的消息后,就会启动消息转发(message forwarding)机制,用户(程序员)可经此过程告诉对象应该如何处理未知消息。

向对象发送它无法理解的后果在实际开发中我们会经常遇到,如下:

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- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
NSObject *aObject = [[NSObject alloc] init];
NSLog(@"%@", [(NSString *)aObject lowercaseString]);
}

显然,这几行代码可以通过编译,但是在运行时会出现如下错误,并导致崩溃:

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-[NSObject lowercaseString]: unrecognized selector sent to instance 0x7a8acba0
*** Terminating app due to uncaught exception 'NSInvalidArgumentException', reason: '-[NSObject lowercaseString]: unrecognized selector sent to instance 0x7a8acba0'
*** First throw call stack:
(
0 CoreFoundation 0x008f4746 __exceptionPreprocess + 182
1 libobjc.A.dylib 0x0057da97 objc_exception_throw + 44
2 CoreFoundation 0x008fc705 -[NSObject(NSObject) doesNotRecognizeSelector:] + 277
3 CoreFoundation 0x00843287 ___forwarding___ + 1047
4 CoreFoundation 0x00842e4e _CF_forwarding_prep_0 + 14
...
...

上面这段异常信息是由NSObjectdoesNotRecognizeSelector:方法抛出的,此异常表明:消息的接收者的类型是NSObject(即receiver是NSObject类型对象),而该接收者无法理解名为lowercaseString的选择子。

在本例中,消息转发过程以应用程序崩溃告终,不过,开发者在编写自己的类时,可于转发过程中设置挂钩,用于执行预定的逻辑,而不使得应用程序崩溃。

当对象接收到未知的选择子(unknown selector)时,开启消息转发,这分为两大阶段:

  • 第一阶段先与接收者所属的类打交道,看其是否能动态添加方法,以处理当前这个未知的选择子,这叫动态方法解析(dynamic method resolution);
  • 第二阶段涉及完整的消息转发机制(full forwarding mechanism)。如果runtime系统已经把第一阶段执行完了,那receiver自己就无法再以动态新增方法的手段来响应包含该选择子的消息了。此时,运行期系统会请求receiver用其他手段来处理这条消息相关的方法调用了。这又细分为为两小步:
    • 请receiver看看有没有其他对象能处理这条消息,若有,则runtime系统会把消息转发给那个对象,消息转发结束;
    • 若有没有备援的接收者(replacement receiver),则启动完整的消息转发机制,runtime系统会把与消息有关的全部细节封装到NSInvocation对象中,再给接收者最后一次机会,令其设法解决当前还未处理的这条消息。

动态方法解析

Receiver在收到unknown selector后,首先将调用其本类的resolveInstanceMethod:方法,该方法定义如下:

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+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel;

该方法的参数就是那个unknown selector,其返回值为Boolean类型,表示这个类是否能新增一个实例方法用以处理该unknown selector。在继续往下执行转发机制之前,本类有机会新增一个处理此selector的方法。所以resolveInstanceMethod:的一般使用套路是:

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+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)aSelector {
if (/* aSelector满足某个条件 */) {
/*
调用class_addMethod为该类添加一个处理aSelector的方法,譬如:
class_addMethod(self, aSelector, aImp, @"v@:@");
*/
return YES;
}
return [super resolveInstanceMethod:aSelector];
}

假如尚未实现的方法不是实例方法而是类方法,那么runtime系统会调用另外一个与resolveInstanceMethod:类似的方法resolveClassMethod:,其原型如下:

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+ (BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel;

举个栗子:

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@interface Student : NSObject
@property (nonatomic, strong, getter=name, setter=setName:) NSString *name;
@end
@implementation Student
@dynamic name;
// 注意,这是C语言函数(不是Objective-C方法)
id name(id self, SEL _cmd) {
return @"张不坏";
}
// 注意,这是C语言函数(不是Objective-C方法)
void setName(id self, SEL _cmd, id value) {
NSLog(@"do nothing");
}
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel {
if (sel == @selector(name)) {
class_addMethod(self, sel, (IMP)name, "@@:"); // 添加getter
return YES;
} else if (sel == @selector(setName:)) {
class_addMethod(self, sel, (IMP)setName, "v@:@:"); // 添加setter
return YES;
}
return [super resolveInstanceMethod:sel];
}

@@:v@:@:用来描述函数参数和返回值,更多内容参考《Apple: Type Encodings》和《NSHipster: Type Encodings》。

执行效果:

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Student *jason = [[Student alloc] init];
jason.name = @"Jason";
NSLog(@"name of this student:%@", jason.name);
/* 输出:
do nothing
name of this student:张不坏
*/

备援接收者

当前receiver还有第二次机会能处理unknown selector,在这一步中,runtime系统会问它:可否把这条消息转给其他对象处理?该步骤对应的处理方法是forwardingTargetForSelector:,定义于<objc/NSObject.h>中:

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- (id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector;

方法参数代表unknown selector,若当前receiver能找到备援对象,则将其返回,若找不到,则返回nil

通过此方案,我们可以通过组合(composition)来模拟出多继承(multiple inheritance)的某些特性。

所谓多继承指一个类可以继承自多个类,即该类对象具有多个类的属性和方法,譬如A继承自B和C,则A的类对象a同时具有了B和C的方法和属性。

而Objective-C是不支持多继承了。因此A只能继承自B,而不能同时也继承C。若想让A也具备C的方法,基于消息转发机制的实现过程是这样的:在A中定义一个C对象(假设为c),当向A对象发送C才能处理的消息时,在A的-(id)forwardingTargetForSelector:方法实现中返回c(C对象)即可。如此这般,在外界看来,就感觉A能够处理这些C中定义的方法。

为了更好的阐述「通过转发模拟多继承」,以下图举个例子:

在上图中,Warrior(武士)和Diplomat(外交官)没有继承关系,所以它自然不能处理Diplomat才能做的事情negotiate(谈判)。但是,通过「消息转发」,可以让Warrior也能够接受negotiate消息。具体做法是在Warrior中定义一个Diplomat对象(内部变量,假设名为aDiplomat),当Warrior对象接收到negotiate消息时,就转发给aDiplomat。这让人感觉武士(Warrior)也兼具谈判(negotiate)能力。

完整的消息转发机制

如果转发已经到了这一步的话,那么唯一能够做的就是启用完整的消息转发机制了。首先创建NSInvocation对象,将未知消息相关的全部细节都封装于其中。此对象包含选择子、目标(target)以及参数。在触发NSInvocation对象时,消息派发系统(message-dispatch system)将亲自出马,把消息派给目标对象。

此步骤会调用forwardInvocation:方法来转发消息,该方法定义于<objc/NSObject.h>中:

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- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation;

这个方法可以实现得很简单:只要改变调用目标,是消息在新目标上得以调用即可。然而这样实现出来的方法与「备援接收者」方案所实现的方法等效,所以很少有人采用这种实现方式。比较有用的实现方式为:在触发消息前,先以某种方式改变消息内容,比如追加另外一个参数,或是改换选择子,等等。

实现此方法时,若发现某调用方法不应由本类处理,则需调用超类的同名方法。这样的话,集成体系中的每个类都有机会处理此调用请求,直至NSObject。如果最后调用了NSObject类的方法,那么该方法还有继而调用doesNotRecognizeSelector:以抛出异常,此异常表明选择子最终未能得到处理。

消息转发全流程

下图是消息转发全流程图,描述了消息转发机制的各个步骤。

Receiver在每一步中均有机会处理消息。步骤越往后,处理消息的代价就越大;最好能在第一步就处理完,这样的话,runtime系统就可以将此方法缓存起来,进而提高效率。若想在第三步里把消息转发给备援的receiver,那还不如把转发操作提前到第二步。因为第三步只是修改了调用目标,这项改动放在第二步会更为简单,不然的话,还得创建并处理完整的NSInvocation