Objective-C Runtime

Objective-C Runtime 是支持对象、类和动态消息派发的运行时系统。代码写下一个方法名时，接收者最终执行哪个实现，可以在运行时确定；动态方法解析、消息转发和 KVO 都建立在相关机制上。面试需要讲清查找路径和改变行为的范围，不能只把几个 API 名称背成固定调用顺序。

1. 面试核心

先记住这几条，再读正文

• SEL 标识消息名称，IMP 指向具体方法实现，相同 selector 在不同类上可以对应不同实现。卡 · 消息查找与动态派发
• 普通消息从接收者运行时类开始查找，super 改变查找起点，接收者仍然是 self。
• 找不到实现时，运行时提供动态解析与转发机会，方法签名、接收者和返回值必须符合真实契约。卡 · 动态解析与消息转发
• 关联对象用对象与键关联额外状态，没有改变原实例布局，关联策略也不等于弱引用机制。卡 · 关联对象与方法交换
• 方法交换改变 selector 与实现的关系，作用范围、继承关系、签名和其他交换方都会影响结果。卡 · 关联对象与方法交换
• KVC 根据键按规则访问属性，KVO 观察变化，两者用途不同，不是同一个机制的两种写法。卡 · 键值编码
• 自动 KVO 可通过动态子类与重写 setter 截获变化，直接写 ivar 不会自动经过那条 setter 通知路径。卡 · 键值观察

2. 消息查找与动态派发

卡 · Objective-C 消息发送如何找到方法实现？

selector（SEL）标识方法名，包括参数位置所需的冒号，例如 setName:。方法实现（IMP）是具体实现的函数入口。一个 Method 描述还包含 selector、实现和类型编码等信息；selector 本身不等于函数地址，也不完整携带参数类型。

普通 Objective-C 消息表达式由编译器生成适合目标 ABI 的消息派发调用。可以用以下过程理解查找：先根据接收者的运行时类尝试命中方法缓存，未命中再查找类及父类中的实现，找到后执行并按运行时策略更新缓存。

实例方法从实例的类开始，类方法从类对象的元类一侧开始，前置关系见Objective-C 对象模型。继承来的方法也可以进入派发缓存，因此缓存不是“只存本类自己实现的方法”。

方法实现至少接收 self 与 _cmd 两个隐含参数，再接收声明中的业务参数。[super work] 仍把当前对象作为接收者，只是从父类一侧查找相应实现，不会临时构造一个父类对象。

业务代码通常应让编译器生成消息发送。手工调用 IMP 或消息函数时，必须使用与实际参数、返回类型和平台 ABI 一致的函数类型；错误的强转可能产生寄存器传参、返回值或 ARC 所有权问题。直接缓存 IMP 还会绕开之后的动态查找，不应仅凭“少一次查表”就在普通业务代码中使用。

向 nil 发送普通对象消息与解引用空指针不同，部分常见返回类型会得到零值；不要把这个规则无限推广到任意 ABI 下的任意聚合返回类型，也不要把它当作掩盖对象意外缺失的业务方案。

3. 动态解析与消息转发

卡 · Objective-C 的消息转发有哪些阶段？

动态方法解析允许类在找不到方法时补充实现。实例方法通常通过 +resolveInstanceMethod: 处理，类方法通过 +resolveClassMethod: 处理，并需要把实现放到正确的类或元类中。

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>

@interface DynamicItem : NSObject
@property (nonatomic, readonly) NSString *message;
@end

static id ReadMessage(id receiver, SEL selector) {
    (void)receiver;
    (void)selector;
    return @"resolved";
}

@implementation DynamicItem
@dynamic message;
+ (BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)selector {
    if (selector == @selector(message)) {
        return class_addMethod(self, selector, (IMP)ReadMessage, "@@:");
    }
    return [super resolveInstanceMethod:selector];
}
@end

int main(void) {
    @autoreleasepool {
        DynamicItem *item = [DynamicItem new];
        printf("%s\n", item.message.UTF8String); // resolved
    }
}

@dynamic 让编译器不合成这个 getter，运行时解析再用 class_addMethod 添加。类型编码 @@: 表达对象返回值以及接收者、selector 两个隐含参数，必须与 ReadMessage 的真实签名一致。

若解析没有解决问题，还可以使用转发机制：

阶段	主要入口	适用能力
动态解析	resolveInstanceMethod: / resolveClassMethod:	给正确的类补上方法实现
快速转发	forwardingTargetForSelector:	把未知消息交给另一个接收者
完整转发	methodSignatureForSelector: 与 forwardInvocation:	根据方法签名构造调用，再决定目标、参数或结果处理
无法处理	doesNotRecognizeSelector:	默认报告未识别消息错误

快速转发不适合改变参数和聚合多个目标，也不能把接收者返回为自身形成循环。完整转发需要提供真实的方法签名，下面让桥接对象代为调用一个工作对象：

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface Worker : NSObject
- (NSString *)greet:(NSString *)name;
@end
@implementation Worker
- (NSString *)greet:(NSString *)name {
    return [@"hello " stringByAppendingString:name];
}
@end

@interface Bridge : NSObject
@property (nonatomic, strong) Worker *worker;
@end
@interface Bridge (Messages)
- (NSString *)greet:(NSString *)name;
@end

@implementation Bridge
- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)selector {
    return [super methodSignatureForSelector:selector]
        ?: [self.worker methodSignatureForSelector:selector];
}
- (void)forwardInvocation:(NSInvocation *)invocation {
    if ([self.worker respondsToSelector:invocation.selector]) {
        [invocation invokeWithTarget:self.worker];
    } else {
        [super forwardInvocation:invocation];
    }
}
@end

int main(void) {
    @autoreleasepool {
        Bridge *bridge = [Bridge new];
        bridge.worker = [Worker new];
        printf("%s\n", [[bridge greet:@"Lin"] UTF8String]); // hello Lin
    }
}

Bridge 只声明 greet:，没有直接实现它，完整转发把调用交给 Worker。若 Bridge 已有相应实现，就不会因为同时写了 forwardInvocation: 而自动进入转发。

转发并不自动修正所有对象查询接口。一个代理即使能够转发消息，也可能需要按自身契约正确实现 respondsToSelector:、协议检查等行为，否则调用者可能在发送消息前就判断“不支持”。这些接口不能随意全部返回真，仍应与实际可处理的消息一致。

4. 关联对象与方法交换

卡 · 关联对象是否改变实例布局，assign 策略是否等同 weak？卡 · 如何用 Runtime 替换方法实现？

关联对象用宿主对象和一个稳定的键关联额外值，适合在不能增加 ivar 的分类中保存少量状态。键通常使用静态变量的地址，避免不同模块误用同一个键。

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>

static char NameKey;

int main(void) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *host = [NSObject new];
        NSMutableString *input = [NSMutableString stringWithString:@"Lin"];
        objc_setAssociatedObject(host, &NameKey, input, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
        [input appendString:@"!"];
        NSString *name = objc_getAssociatedObject(host, &NameKey);
        printf("%s\n", name.UTF8String); // Lin
        objc_setAssociatedObject(host, &NameKey, nil, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
        printf("%d\n", objc_getAssociatedObject(host, &NameKey) == nil); // 1
    }
}

关联策略决定保留、复制和访问语义。OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN 不是自动清零的 weak；若要表达弱关系，需要单独设计弱引用容器等机制。关联值也可能反过来持有宿主，形成引用环。删除自己的一项关联应针对自己的键，不要为了清理一项就移除其他模块的全部关联。

方法交换（method swizzling）改变方法名与实现的对应关系。对于两个签名相同、直接由同一类实现的方法，可以用以下最小例子观察效果：

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>

@interface Speaker : NSObject
- (NSString *)first;
- (NSString *)second;
@end
@implementation Speaker
- (NSString *)first { return @"A"; }
- (NSString *)second { return @"B"; }
@end

int main(void) {
    @autoreleasepool {
        Speaker *speaker = [Speaker new];
        Method first = class_getInstanceMethod([Speaker class], @selector(first));
        Method second = class_getInstanceMethod([Speaker class], @selector(second));
        printf("%s\n", speaker.first.UTF8String); // A
        method_exchangeImplementations(first, second);
        printf("%s\n", speaker.first.UTF8String); // B
        method_exchangeImplementations(first, second);
    }
}

交换作用于方法所在的类关系，不是只修改变量 speaker 指向的某一个实例。若取到的是继承自父类的方法，直接交换可能影响父类及其他子类，应先分清方法归属，并在需要时为目标子类建立独立实现。

实际埋点还要处理重复安装、多个库的交换顺序、递归调用原实现、签名兼容和系统实现变化。公开委托或明确的包装层能满足需求时，优先使用可见的调用关系；运行时交换会把影响扩展到原调用者看不见的位置。

5. 键值编码

卡 · KVC 与 KVO 有什么区别？

KVC（Key-Value Coding，键值编码）按字符串键访问对象属性，常用入口是 valueForKey:、setValue:forKey: 和键路径接口。它是一套有约定的访问机制，不是任意反射读取内存。

以 valueForKey:@"count" 为例，默认基础 getter 查找先寻找 getCount、count、isCount、_count 等访问器。若没有普通访问器，还会考虑集合访问模式；在允许直接访问 ivar 时，再按 _count、_isCount、count、isCount 等次序查找实例变量。setter 也优先查找对应设置方法，再考虑允许的直接存储访问。

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface Counter : NSObject {
    NSInteger _count;
}
@end
@implementation Counter
@end

int main(void) {
    @autoreleasepool {
        Counter *counter = [Counter new];
        [counter setValue:@7 forKey:@"count"];
        NSNumber *value = [counter valueForKey:@"count"];
        printf("%ld\n", (long)value.integerValue); // 7
    }
}

这个类没有属性访问器，默认允许的 ivar 回退仍使 KVC 可以访问 _count。标量通过 NSNumber 等对象形式承接，因此它不是把任意 C 值直接当作对象指针。

键不存在会进入 undefined-key 处理，默认抛出异常；给不接受空值的标量设置 nil 也需要相应处理。字符串键失去了普通属性访问的一部分编译期检查，拼写错误可能推迟到运行时，所以不应仅为了“少写类型”就把明确的接口全部换成 KVC。

6. 键值观察

卡 · KVC 与 KVO 有什么区别？卡 · KVO 的原理是什么？

KVO（Key-Value Observing，键值观察）让观察者接收属性变化通知。经典 Objective-C 自动 KVO 可以通过创建中间子类、改变被观察对象的运行时类关系，并重写相应 setter，在修改前后接入通知；这种处理只影响被观察的对象，而不是把原类所有实例统一替换。

#import <Foundation/Foundation.h>

static char ObservationContext;

@interface Counter : NSObject
@property (nonatomic) NSInteger count;
- (void)setRawCount:(NSInteger)value;
@end
@implementation Counter
- (void)setRawCount:(NSInteger)value { _count = value; }
@end

@interface Watcher : NSObject
@end
@implementation Watcher
- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object
                       change:(NSDictionary *)change context:(void *)context {
    if (context == &ObservationContext) {
        printf("observed %ld\n", (long)[change[NSKeyValueChangeNewKey] integerValue]);
    } else {
        [super observeValueForKeyPath:keyPath ofObject:object change:change context:context];
    }
}
@end

int main(void) {
    @autoreleasepool {
        Counter *counter = [Counter new];
        Watcher *watcher = [Watcher new];
        [counter addObserver:watcher forKeyPath:@"count"
                     options:NSKeyValueObservingOptionNew context:&ObservationContext];
        counter.count = 3;
        [counter setRawCount:4];
        printf("stored %ld\n", (long)counter.count);
        [counter removeObserver:watcher forKeyPath:@"count" context:&ObservationContext];
    }
}

输出 observed 3 与 stored 4。第二次更新直接写 _count，没有经过 count 的 setter，因而没有沿自动 setter 通知路径产生第二条观察回调。KVC 与 KVO 还有配套行为，不能由此推断“所有直接 ivar 访问路径都永远无法通知”。

手动通知使用 willChangeValueForKey: 与 didChangeValueForKey: 包围状态变化。若对同一个 key 同时保留自动通知又手动通知，可能重复发送；应按实现选择 automaticallyNotifiesObserversForKey: 等配置。集合变化还需要使用相应的集合通知或 KVC 代理，不能只修改内部数组就假设父对象的属性观察一定触发。

观察注册、移除和上下文应成对管理。示例显式移除自己的注册，不依赖不同系统版本或不同观察 API 对生命周期清理的差异。回调也不会因为来自 KVO 就自动切到主线程；更新 UI 前应确认执行环境。

动态子类的具体名称、缓存和内部字段属于实现细节。排查时可以观察运行时类变化，但业务逻辑不应依赖某个私有类名前缀。理解 KVO 的关键是修改拦截、通知时机和观察生命周期，而不是复制一段固定的 runtime 内部结构。

7 · 面试题卡片

先想答案，再翻面先在心里答一遍，再点开卡片对照参考回答。卡片之间可以左右切换，看完会回到这里。

逐张翻看 6 张 →

消息查找与动态派发

Objective-C 消息发送如何找到方法实现？

考察 1 点 · 相关 §2未标记

动态解析与消息转发

Objective-C 的消息转发有哪些阶段？

考察 1 点 · 相关 §3未标记

关联对象与方法交换

关联对象是否改变实例布局，assign 策略是否等同 weak？

本站自测

考察 1 点 · 相关 §4未标记

关联对象与方法交换

如何用 Runtime 替换方法实现？

考察 1 点 · 相关 §4未标记

键值编码

KVC 与 KVO 有什么区别？

本站自测

考察 1 点 · 相关 §5 §6未标记

键值观察

KVO 的原理是什么？

考察 1 点 · 相关 §6未标记

未标记的卡读完后明天进入复习；已标记的按状态安排

本页题目与参考回答

7.1 Objective-C 消息发送如何找到方法实现？

考察重点：接收者、selector、类层次与派发缓存。

相关内容：消息查找与动态派发。

参考回答

根据接收者的运行时类和 selector 查找相应 IMP，通常先查缓存，再沿类与父类查找。 相同 selector 在不同类上可以对应不同实现，继承方法也可被缓存。super 改变查找起点而不改变接收者；最终还找不到实现时，才考虑动态解析与转发等处理机会。

7.2 Objective-C 的消息转发有哪些阶段？

考察重点：动态解析、替代接收者、方法签名与完整调用。

相关内容：动态解析与消息转发。

参考回答

查找失败后可以先尝试动态补充实现，再选择快速转发或完整转发。 resolveInstanceMethod: 等提供实现；forwardingTargetForSelector: 选择另一个接收者；完整转发需要正确的 methodSignatureForSelector: 和 forwardInvocation:。仍无法处理时默认报告未识别消息。已有实现会正常调用，不会因为写了转发方法就自动转发。

7.3 关联对象是否改变实例布局，assign 策略是否等同 weak？

考察重点：外部关联存储、唯一键与引用生命周期。

相关内容：关联对象与方法交换。

参考回答

关联对象在对象与键之间维护额外状态，不往既有实例布局中添加 ivar；assign 也不提供自动清零的 weak 语义。 需要稳定且不冲突的键，并按拥有关系选择保留或复制。关联值反向持有宿主仍可能形成环，清理时应只移除自己负责的关联。

7.4 如何用 Runtime 替换方法实现？

考察重点：方法归属、影响范围、签名与安装顺序。

相关内容：关联对象与方法交换。

参考回答

可以取得相应方法描述后用 method_exchangeImplementations 交换实现，或按需要用添加、替换方法的 API 安装新实现。 先确认方法属于哪个类、是否继承而来，以及新旧签名是否兼容。类级修改会影响相关实例，还要处理重复安装、其他库的交换链和原实现调用；若需要限定单实例，必须另行设计影响范围。

7.5 KVC 与 KVO 有什么区别？

考察重点：键访问规则与变化观察的不同职责。

相关内容：键值编码、键值观察。

参考回答

KVC 按字符串键访问属性，KVO 接收属性变化通知。 KVC 有访问器与 ivar 的查找规则，未知键默认会失败；KVO 关心修改是否触发合适的通知、观察者怎样注册和结束。两者存在配套行为，但不能把“能按键读写”直接等同于“所有修改都会通知”。

7.6 KVO 的原理是什么？

考察重点：动态子类、setter 拦截、手动通知与生命周期。

相关内容：键值观察。

参考回答

经典自动 KVO 可以通过中间子类重写 setter，在状态修改前后接入通知。 被观察对象的运行时类关系随之变化，直接给 ivar 赋值不会自动走这个 setter 路径。若自行维护通知，要配对 willChangeValueForKey: 与 didChangeValueForKey:，避免和自动通知重复，并管理好注册、移除与回调线程。

8. 参考资料

• Apple：Messaging
• Apple：Dynamic Method Resolution
• Apple：Message Forwarding
• Apple：Key-Value Coding Accessor Search Patterns
• Apple：Key-Value Observing Implementation Details
• Apple：KVO Compliance
• Apple：Registering for Key-Value Observing
• Apple objc4-906.2：关联对象实现
• Apple objc4-906.2：运行时类与方法实现

来源：Coding 101 原文 · 免费阅读，引用请保留出处。内容使用说明