iOS 黑魔法 Runtime Method Swizzling 背后的原理
iOS 黑魔法 Runtime Method Swizzling 背后的原理
提到Object-C中的Runtime，你可能一下就想到了iOS的黑魔法Method Swizzling。毕竟，这个黑魔法可以帮助我们在运行时进行方法交换，或者在原方法执行之前插入自定义方法，以保证在业务面向对象编程方式不被改变的情况下，进行切面功能的开发。但是，运行时进行方法交换同时也会带来一定的风险。所以，今天我就来和你详细聊聊Runtime Method Swizzling 的原理。
Runtime Method Swizzling 编程方式，也可以叫作AOP（Aspect-Oriented Programming，面向切面编程）。
AOP 是一种编程范式，也可以说是一种编程思想，使用 AOP 可以解决 OOP（Object Oriented Programming，面向对象编程）由于切面需求导致单一职责被破坏的问题。通过 AOP 可以不侵入 OOP 开发，非常方便地插入切面需求功能。
比如，我在专栏第9篇文章中介绍无侵入埋点方案时，就提到了通过 AOP 在不侵入原有功能代码的情况下插入收集埋点的功能。
除此之外，还有一些主业务无关的逻辑功能，也可以通过 AOP 来完成，这样主业务逻辑就能够满足 OOP 单一职责的要求。而如果没有使用 AOP，鉴于OOP的局限性，这些与主业务无关的代码就会到处都是，增大了工作量不说，还会加大维护成本。
但是我们也知道，iOS 在运行时进行 AOP 开发会有风险，不能简单地使用 Runtime 进行方法交换来实现 AOP 开发。因此，我今天就来跟你说下直接使用 Runtime 方法交换开发的风险有哪些，而安全的方法交换原理又是怎样的？
直接使用 Runtime 方法交换开发的风险有哪些？
Objective-C 是门动态语言，可以在运行时做任何它能做的事情。这其中的功劳离不开 Runtime 这个库。正因为如此，Runtime 成为了 iOS 开发中 Objective-C 和 C 的分水岭。
Runtime 不光能够进行方法交换，还能够在运行时处理 Objective-C 特性相关（比如类、成员函数、继承）的增删改操作。
苹果公司已经开源了Runtime，在 GitHub 上有可编译的 Runtime 开源版本。你可以通过于德志 (@halfrost)博客的三篇 Runtime 文章，即isa和Class、消息发送与转发，以及如何正确使用Runtime，来一边学习一边调试。
直接使用 Runtime 进行方法交换非常简单，代码如下：
如代码所示：通过 class_getInstanceMethod() 函数可以得到被交换类的实例方法和交换类的实例方法。使用 class_addMethod() 函数来添加方法，返回成功表示被交换的方法没被实现，然后通过 class_addMethod() 函数实现；返回失败则表示被交换方法已存在，可以通过 method_exchangeImplementations() 函数直接进行 IMP 指针交换以实现方法交换。
但是，像上面这段代码一样，直接使用 Runtime 的方法进行方法交换会有很多风险，RSSwizzle库里指出了四个典型的直接使用 Runtime 方法进行方法交换的风险。我稍作整理，以方便你查看，并便于你理解后续的内容。
第一个风险是，需要在 +load 方法中进行方法交换。因为如果在其他时候进行方法交换，难以保证另外一个线程中不会同时调用被交换的方法，从而导致程序不能按预期执行。
第二个风险是，被交换的方法必须是当前类的方法，不能是父类的方法，直接把父类的实现拷贝过来不会起作用。父类的方法必须在调用的时候使用，而不是方法交换时使用。
第三个风险是，交换的方法如果依赖了 cmd，那么交换后，如果 cmd 发生了变化，就会出现各种奇怪问题，而且这些问题还很难排查。特别是交换了系统方法，你无法保证系统方法内部是否依赖了 cmd。
第四个风险是，方法交换命名冲突。如果出现冲突，可能会导致方法交换失败。
更多关于运行时方法交换的风险，你可以查看 Stackoverflow 上的问题讨论“What are the Dangers of Method Swizzling in Objective C?”。
可以看到，直接使用 Runtime 进行方法交换的风险非常大，那么安全的方法交换是怎样的呢？接下来，我就来跟你介绍一个更安全的运行时方法交换库 Aspects。
更安全的方法交换库Aspects
Aspects 是一个通过 Runtime 消息转发机制来实现方法交换的库。它将所有的方法调用都指到 _objc_msgForward 函数调用上，按照自己的方式实现了消息转发，自己处理参数列表，处理返回值，最后通过 NSInvocation 调用来实现方法交换。同时，Aspects 还考虑了一些方法交换可能会引发的风险，并进行了处理。
通过学习Aspects 的源码，你能够从中学习到如何处理这些风险。 比如，热修复框架 JSPatch就是学习了 Aspects 的实现方式。因此，接下来我会展开Aspects的源码，带你一起看看它是如何解决这些问题的。这样，你再遇到类似问题时，或借鉴其中的解决思路，或经过实践、思考后形成自己的更优雅的解决方法。
虽然 Aspects 对于一些风险进行了规避，但是在使用不当的情况下依然会有风险，比如 hook 已经被 hook 过的方法，那么之前的 hook 会失效，而且新的 hook 也会出错。所以，即使是 Aspects， 在工程中也不能滥用。
现在，我们先一起看一段如何使用 Aspects 的示例代码：
上面这段代码是 Aspects 通过运行时方法交换，按照 AOP 方式添加埋点的实现。代码简单，可读性高，接口使用 Block 也非常易用。按照这种方式，直接使用Aspects即可。
接下来，我就跟你说下 Aspect 实现方法交换的原理。
Aspects 的整体流程是，先判断是否可进行方法交换。这一步会进行安全问题的判断处理。如果没有风险的话，再针对要交换的是类对象还是实例对象分别进行处理。
对于类对象的方法交换，会先修改类的 forwardInvocation ，将类的实现转成自己的。然后，重新生成一个方法用来交换。最后，交换方法的 IMP，方法调用时就会直接对交换方法进行消息转发。
对于实例对象的方法交换，会先创建一个新的类，并将当前实例对象的 isa 指针指向新创建的类，然后再修改类的方法。
整个流程的入口是 aspect_add() 方法，这个方法里包含了 Aspects 的两个核心方法，第一个是进行安全判断的 aspect_isSelectorAllowedAndTrack 方法，第二个是执行类对象和实例对象方法交换的 aspect_prepareClassAndHookSelector 方法。
aspect_isSelectorAllowedAndTrack 方法，会对一些方法比如 retain、release、autorelease、forwardInvocation 进行过滤，并对 dealloc 方法交换做了限制，要求只能使用 AspectPositionBefore 选项。同时，它还会过滤没有响应的方法，直接返回 NO。
安全判断执行完，就开始执行方法交换的 aspect_prepareClassAndHookSelector 方法，其实现代码如下：
可以看到，通过 aspect_hookClass()函数可以判断出 class 的 selector 是实例方法还是类方法，如果是实例方法，会通过 class_addMethod 方法生成一个交换方法，这样在 forwordInvocation 时就能够直接执行交换方法。aspect_hookClass 还会对类对象、元类、KVO 子类化的实例对象、class 和 isa 指向不同的情况进行处理，使用 aspect_swizzleClassInPlace 混写 baseClass。
小结
在今天这篇文章中，梳理了直接使用 Runtime进行方法交换会有哪些问题，进而为了解决这些问题，我又和你分享了一个更安全的方法交换库 Aspects。
在文章最后，我想和你说的是，对于运行时进行方法交换，有的开发者在碰到了几次问题之后，就敬而远之了，但其实很多问题在你了解了原因后就不那么可怕了。就比如说，了解更多运行时原理和优秀方法交换库的实现细节，能够增强你使用运行时方法交换的信心，从而这个技术能够更好地为你提供服务，去帮助你更加高效地去解决某一类问题。
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