【iOS】分类、扩展、关联对象

前言

最近的学习中笔者发现自己对于分类、扩展相关知识并不是很熟悉，刚好看源码类的加载过程中发现有类扩展与关联对象详解。本篇我们来探索一下这部分相关知识，首先我们要记住扩展是编译时就被添加在类中，而分类是在运行时才被整合到类信息中来的。

分类

这里我们先来看看使用Clang编译之后，分类的底层结构struct category_t：

这里我们来看看其中的内容，根据名称我们可以发现其中存储了类指针、实例方法表、类方法表、协议表、属性列表，但是并没有类中有的成员变量表。其实看到这里我们就可以明白，我们不可以在分类中定义成员变量，原因很简单，这里面都没有成员变量表。

这里还有一个结论：分类可以声明属性，并可以生成对应的set、get方法，但没有去实现该方法

分类加载流程：

• 在编译阶段将分类中的方法、属性等编译到一个数据结构category_t
• 将分类中的方法、属性等合并到一个大数组中去，而后参加编译的分类就会在数组前面
• 将合并后的分类数据插入到原有数据的前面

故而当分类中的方法与原始类中方法重名的时候，会先去调用分类中实现的方法。

扩展

@interface Person ()@property (nonatomic, assign) NSInteger age;  // 私有属性- (BOOL)validateAge;  // 私有方法声明@end

这里我们将一个扩展直接使用Clang转化位cpp文件，我们可以看到其直接被存储到了成员变量表中，同时方法也直接被添加到了metholist中：

故而扩展是在编译阶段与该类同时编译的，是类的一部分。扩展中声明的方法只能在该类的@implementation中实现。所以这也就意味着我们无法对系统的类使用扩展。

扩展和分类的区别

类别、分类

• 专门用来给类添加新的方法
• 不能给类添加成员属性，添加了成员属性也无法取到
  • 注意：其实可以通过runtime 给分类添加属性，即属性关联，重写setter、getter方法
• 分类中用@property 定义变量，只会生成变量的setter、getter方法的声明，不能生成方法实现和带下划线的成员变量

扩展

• 可以说成是特殊的分类，也可称作匿名分类
• 可以给类添加成员属性，但是是私有变量
• 可以给类添加方法，也是私有方法

关联对象

这里我们来讲解一下如何通过runtime来给分类添加属性,这里主要分为两部分：

• 通过objc_setAssociatedObject设值流程
• 通过objc_getAssociatedObject取值流程

流程如上所示

我们先来看看取值流程：

objc_setAssociatedObject(id _Nonnull object, const void * _Nonnull key,id _Nullable value, objc_AssociationPolicy policy)

• 参数一：要关联的对象，即为谁添加关联属性
• 参数二：标识符，方便下次查找
• 参数三：value
• 参数四：属性的策略，即nonatomic、atomic、assign等，下面展示一下所有关联对象的属性类型：

下面我们来看看objc_setAssociatedObject的源码实现：

下面我们进入_object_set_associative_reference源码实现来看看：

void
_object_set_associative_reference(id object, const void *key, id value, uintptr_t policy)
{// This code used to work when nil was passed for object and key. Some code// probably relies on that to not crash. Check and handle it explicitly.// rdar://problem/44094390if (!object && !value) return;if (object->getIsa()->forbidsAssociatedObjects())_objc_fatal("objc_setAssociatedObject called on instance (%p) of class %s which does not allow associated objects", object, object_getClassName(object));//object封装成一个数组结构类型，类型为DisguisedPtrDisguisedPtr<objc_object> disguised{(objc_object *)object};//相当于包装了一下 对象object,便于使用// 包装一下 policy - valueObjcAssociation association{policy, value};// retain the new value (if any) outside the lock.association.acquireValue();//根据策略类型进行处理bool isFirstAssociation = false;{//初始化manager变量，相当于自动调用AssociationsManager的析构函数进行初始化AssociationsManager manager;//并不是全场唯一，构造函数中加锁只是为了避免重复创建，在这里是可以初始化多个AssociationsManager变量的AssociationsHashMap &associations(manager.get());//AssociationsHashMap 全场唯一if (value) {auto refs_result = associations.try_emplace(disguised, ObjectAssociationMap{});//返回结构为一个类对if (refs_result.second) {//判断第二个存不存在，即bool值是否为true/* it's the first association we make */isFirstAssociation = true;}/* establish or replace the association */auto &refs = refs_result.first->second;//得到一个空的桶子，找到引用对象类型,即第一个元素的second值auto result = refs.try_emplace(key, std::move(association));//查找当前的key是否有association关联对象if (!result.second) {//如果结果不存在association.swap(result.first->second);}} else {//如果传的是空值，则移除关联，相当于移除auto refs_it = associations.find(disguised);if (refs_it != associations.end()) {auto &refs = refs_it->second;auto it = refs.find(key);if (it != refs.end()) {association.swap(it->second);refs.erase(it);if (refs.size() == 0) {associations.erase(refs_it);}}}}}// Call setHasAssociatedObjects outside the lock, since this// will call the object's _noteAssociatedObjects method if it// has one, and this may trigger +initialize which might do// arbitrary stuff, including setting more associated objects.if (isFirstAssociation)object->setHasAssociatedObjects();// release the old value (outside of the lock).association.releaseHeldValue();//释放
}

我们来看看这段源码的实现过程：

• 首先检查对象所属类是否禁止关联对象（系统类就不可以），若禁止则直接触发崩溃
• 创建一个全局管理关联对象的AssociationsManager管理类，并获取唯一的全局静态哈希Map:AssociationsHashMap
• value是否存在：
• 若存在，通过try_emplace方法，创建一个空的ObjectAssociationMap去取查询键值对
• 如果发现没有这个 key 就插入一个空的 BucketT进去并返回true
• 通过setHasAssociatedObjects方法标记对象存在关联对象即置isa指针的has_assoc属性为true
• 用当前policy 和 value组成了一个ObjcAssociation替换原来BucketT 中的空
• 标记一下 ObjectAssociationMap 的第一次为 false

AssociationsManager

我们先来看看其源码实现

这里我们可以看到AssociationsHashMap从静态变量中取出，所以全场唯一

下面我们来看看这AssociationsHashMap以及ObjectAssociationMap的定义

这里先说一下DenseMap，这个东西时LLVM实现的高性能哈希表，支持快速插入、查找、删除（笔者具体也不会）

• 先来看看ObjectAssociationMap，他对应的是一个对象的关联属性集合，通过健快速定位到具体的ObjcAssociation。

​ 这里展示一下该结构体内部包含的内容：关联值的引用计数策略与实际值

• 再来看看AssociationsHashMap，这是一个全局管理所有对象的关联属性的集合，这里键为伪装指针（DisguisedPtr），值为该对象关联属性表ObjectAssociationMap

这里附一张图来讲解这几个表之间的关系

下面来说一下这几个map之间的联系与不同：

• AssociationsManager可以有很多个，但是AssociationsHashMap类型的map只能有一个，是通过AssociationsManager来获取的
• 这个map中有很多个ObjectAssociationMap类型的map，在上文中的讲解中，我们可以明白每个对象都有一个ObjcAssociation，所以每个对象都会有一个自己的ObjectAssociationMap类型的map

key的几种用法

• 使用的get方法的@selector作为key

objc_setAssociatedObject(obj, @selector(getter), value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC)
objc_getAssociatedObject(obj, @selector(getter))

• 使用指针的地址作为key

static void *MyKey = &MyKey;
objc_setAssociatedObject(obj, MyKey, value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC)
objc_getAssociatedObject(obj, MyKey)

• 使用static作为key

static char MyKey;objc_setAssociatedObject(obj, &MyKey, value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC)
objc_getAssociatedObject(obj, &MyKey)

• 使用属性名作为key

objc_setAssociatedObject(obj, @“property”, value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
objc_getAssociatedObject(obj, @“property”);

流程

• 设置关联对象：

  • 调用objc_setAssociatedObject

  • AssociationsManager查找或创建与目标对象相关的ObjectAssociationMap

  • 在ObjectAssociationMap中查找或创建对应的 ObjcAssociation。

  • 将关联值和存储策略设置到 ObjcAssociation 中。

• 获取关联对象：

  • 调用objc_setAssociatedObject

  • AssociationsManager查找与目标对象相关的ObjectAssociationMap

  • 在ObjectAssociationMap中查找对应的 ObjcAssociation。

  • 返回ObjcAssociation中存储的关联值

• 移除关联对象：

  • 调用 objc_removeAssociatedObjects 或 objc_setAssociatedObject 设置为 nil。
  • AssociationsManager 查找与目标对象相关的ObjectAssociationMap。
  • 从 ObjectAssociationMap 中移除对应的 ObjcAssociation。
  • 如果ObjectAssociationMap为空，可能会移除整个映射以释放资源。

这个流程其实也就是上文中_object_set_associative_reference的流程，笔者认为这样理解更好一些，下面再附一张图帮助理解

总结

关联对象就是一个二层哈希的处理，存取的时候都是两层处理，类似于二维数组：