iOS分类Category探索

什么是Category?

Category是Objective-C 2.0之后添加的语言特性，Category的主要作用是为已经存在的类添加方法，一般称为分类，文件名格式是"NSObject+A.h"。

struct category_t {
    const char *name;
    classref_t cls;
    struct method_list_t *instanceMethods;
    struct method_list_t *classMethods;
    struct protocol_list_t *protocols;
    struct property_list_t *instanceProperties;
    struct property_list_t *_classProperties;
}

从结构能看出分类可以扩展实例方法列表、类方法列表、协议列表，也支持扩展属性，但不支持扩展成员变量（之后会说）。

一般使用的场景有扩展现有类方法、代码分区、添加私有方法（不对外暴露category.h）、模拟多继承（使用关联对象的方式添加属性实现）

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什么是Extension？

Extension一般被称为类扩展、匿名分类，用于定义私有属性和方法，不可被继承。只能依附自定义类写于.m中，定义一般为:

@interface ViewController ()

@property (nonatomic, strong) NSObject *obj;

@end

类扩展支持写在多个.h文件，但都必须在.m文件中引用，且不能有自己的实现。

类扩展很多时候会与分类搞混，我在文后问答环节详细整理了他们的区别。

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Category如何加载的？

struct objc_class : objc_object {
    Class superclass;
    class_data_bits_t bits; 
    class_rw_t *data() {
        return bits.data();
    }
    ...
}

struct class_rw_t {
    const class_ro_t *ro;

    method_array_t methods;
    property_array_t properties;
    protocol_array_t protocols;
    ...
}

struct class_ro_t {
    const char * name;
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars; //只有ro才有实例变量表
    property_list_t *baseProperties;
    ...
};

先简单了解一下Class对象的结构，每个objc_class都包含有class_data_bits_t数据位，其中储存了class_rw_t的指针地址和一些其他标记。class_rw_t中包含有属性方法协议列表，以及class_ro_t指针地址。而在class_ro_t结构中，储存的是编译器决定的属性方法协议。

那么是怎么运行的呢？

在编译期类的结构中的class_data_bits_t指向的是一个 class_ro_t指针。

在运行时调用realizeClass方法，初始化一个class_rw_t结构体，设置ro值为原数据中的class_ro_t后设为数据位中的指向，最后调用methodizeClass方法加载。

static void methodizeClass(Class cls)
{
    auto rw = cls->data();
    auto ro = rw->ro;

    //从ro中加载方法表
    method_list_t *list = ro->baseMethods();
    if (list) {
        prepareMethodLists(cls, &list, 1, YES, isBundleClass(cls));
        rw->methods.attachLists(&list, 1);
    }
    //加载属性
    property_list_t *proplist = ro->baseProperties;
    if (proplist) {
        rw->properties.attachLists(&proplist, 1);
    }
    //加载协议
    protocol_list_t *protolist = ro->baseProtocols;
    if (protolist) {
        rw->protocols.attachLists(&protolist, 1);
    }
    //基类添加初始化方法
    if (cls->isRootMetaclass()) {
        addMethod(cls, SEL_initialize, (IMP)&objc_noop_imp, "", NO);
    }
    //加载分类
    category_list *cats = unattachedCategoriesForClass(cls, true /*realizing*/);
    attachCategories(cls, cats, false /*don't flush caches*/);
    
    if (cats) free(cats);
}

可以看到，在methodizeClass中加载了原先类在编译期决定的方法属性和协议，然后获取了未连接的分类表，将列表中的扩展方法添加到运行期类中。

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Category方法覆盖

如果不同的分类实现了相同名字的方法，那么调用时会使用最后加入的实现，这是为什么呢？

加载Category

dyld链接并初始化二进制文件后，交由ImageLoader读取，接着通知runtime处理，runtime调用map_images解析，然后执行_read_images分析文件中包含的类和分类。

//加载分类
category_t **catlist = 
    _getObjc2CategoryList(hi, &count);
bool hasClassProperties = hi->info()->hasCategoryClassProperties();

for (i = 0; i < count; i++) {
    category_t *cat = catlist[i];
    Class cls = remapClass(cat->cls);

    if (!cls) {
        //分类指定的类还没加载，可能是链接库顺序的问题
        catlist[i] = nil;
        continue;
    }
    //添加分类到类的分类表中，伺机重载入
    bool classExists = NO;
    if (cat->instanceMethods ||  cat->protocols  
        ||  cat->instanceProperties) 
    {
        addUnattachedCategoryForClass(cat, cls, hi);
        if (cls->isRealized()) {
            remethodizeClass(cls);
            classExists = YES;
        }
    }
    //添加分类到元类中
    if (cat->classMethods  ||  cat->protocols  
        ||  (hasClassProperties && cat->_classProperties)) 
    {
        addUnattachedCategoryForClass(cat, cls->ISA(), hi);
        if (cls->ISA()->isRealized()) {
            remethodizeClass(cls->ISA());
        }
    }
}

添加方法属性和协议

如果有新增的分类，就分别添加到原类和meta类，并通过remethodizeClass更新，具体就是调用attachCategories方法把分类中所有的方法都添加到指定类中。

static void attachCategories(Class cls, category_list *cats, bool flush_caches)
{
    if (!cats) return;

    bool isMeta = cls->isMetaClass();

    //新建数组指针
    method_list_t **mlists = (method_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*mlists));
    property_list_t **proplists = (property_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*proplists));
    protocol_list_t **protolists = (protocol_list_t **)
        malloc(cats->count * sizeof(*protolists));

    int mcount = 0;
    int propcount = 0;
    int protocount = 0;
    int i = cats->count;//倒序获取最新的分类
    bool fromBundle = NO;
    while (i--) {
        auto& entry = cats->list[i];
        //分别获取列表
        method_list_t *mlist = entry.cat->methodsForMeta(isMeta);
        if (mlist) {
            mlists[mcount++] = mlist;
            fromBundle |= entry.hi->isBundle();
        }

        property_list_t *proplist = 
            entry.cat->propertiesForMeta(isMeta, entry.hi);
        if (proplist) {
            proplists[propcount++] = proplist;
        }

        protocol_list_t *protolist = entry.cat->protocols;
        if (protolist) {
            protolists[protocount++] = protolist;
        }
    }

    auto rw = cls->data();
    //加载列表到rw中
    prepareMethodLists(cls, mlists, mcount, NO, fromBundle);
    rw->methods.attachLists(mlists, mcount);
    free(mlists);
    if (flush_caches  &&  mcount > 0) flushCaches(cls);

    rw->properties.attachLists(proplists, propcount);
    free(proplists);

    rw->protocols.attachLists(protolists, protocount);
    free(protolists);
}

void attachLists(List* const * addedLists, uint32_t addedCount) {
        if (addedCount == 0) return;

        if (hasArray()) {
            // many lists -> many lists
            uint32_t oldCount = array()->count;
            uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
            setArray((array_t *)realloc(array(), array_t::byteSize(newCount)));
            array()->count = newCount;
            memmove(array()->lists + addedCount, array()->lists, 
                    oldCount * sizeof(array()->lists[0]));
            memcpy(array()->lists, addedLists, 
                   addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
        }
        else if (!list  &&  addedCount == 1) {
            // 0 lists -> 1 list
            list = addedLists[0];
        } 
        else {
            // 1 list -> many lists
            List* oldList = list;
            uint32_t oldCount = oldList ? 1 : 0;
            uint32_t newCount = oldCount + addedCount;
            setArray((array_t *)malloc(array_t::byteSize(newCount)));
            array()->count = newCount;
            if (oldList) array()->lists[addedCount] = oldList;
            memcpy(array()->lists, addedLists, 
                   addedCount * sizeof(array()->lists[0]));
        }
    }

可以看到最后调用了rw->methods.attachLists(mlists, mcount); 把新增分类中的方法列表添加到实际运行时查询的方法列表头部。

在进行方法调用时会从头部查询，一旦查到后就返回结果，因此后编译的文件中的方法会被优先调用。

同时之前添加的方法实现也保存了，可以通过获取同名方法的方式查找原类的实现。

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Category实现属性

分类不能添加成员变量

属性（Property）包含了成员变量（Ivar）和Setter&Getter。

可以在分类中定义属性，但由于分类是在运行时添加分类属性到类的属性列表中，所以并没有创建对应的成员变量和方法实现。

关联对象

如果我们想让分类实现添加新的属性，一般都通过关联对象的方式。

// 声明文件
@interface TestObject (Category)
@property (nonatomic, strong) NSObject *object;
@end

// 实现文件
static void *const kAssociatedObjectKey = (void *)&kAssociatedObjectKey;

@implementation TestObject (Category)

- (NSObject *)object {
    return objc_getAssociatedObject(self, kAssociatedObjectKey);
}

- (void)setObject:(NSObject *)object {
    objc_setAssociatedObject(self, kAssociatedObjectKey, object, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
}

@end

这种方式可以实现存取对象，但是不能获取_object变量。

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问答

分类和扩展有什么区别？

1.分类多用于扩展方法实现，类扩展多用于申明私有变量和方法。

2.类扩展作用在编译期，直接和原类在一起，而分类作用在运行时，加载类的时候动态添加到原类中。

3.类扩展可以定义属性，分类中定义的属性只会申明setter/getter，并没有相关实现和变量。

分类有哪些局限性？

1.分类只能给现有的类加方法或协议，不能添加实例变量（ivar）。

2.分类添加的方法如果与现有的重名，会覆盖原有方法的实现。如果多个分类方法都重名，则根据编译顺序执行最后一个。

分类的结构体里面有哪些成员？

分类结构体包含了分类名，绑定的类，实例与类方法列表，实例与类方法属性以及协议表。

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参考

深入理解Objective-C：Category

神经病院 Objective-C Runtime 入院第一天—— isa 和 Class

探秘Runtime - 深入剖析Category