【原理】iOS黑魔法 - Method Swizzling

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公司年底要在新年前发一个版本，最近一直很忙，好久没有更新博客了。正好现在新版本开发的差不多了，抽空总结一下。

由于最近开发新版本，就避免不了在开发和调试过程中引起崩溃，以及诱发一些之前的__bug__导致的崩溃。而且项目比较大也很不好排查，正好想起之前研究过的Method Swizzling，考虑是否能用这个苹果的“黑魔法”解决问题，当然用好这个黑魔法并不局限于解决这些问题…

需求

就拿我们公司项目来说吧，我们公司是做导航的，而且项目规模比较大，各个控制器功能都已经实现。突然有一天老大过来，说我们要在所有页面添加统计功能，也就是用户进入这个页面就统计一次。我们会想到下面的一些方法：

手动添加

直接简单粗暴的在每个控制器中加入统计，复制、粘贴、复制、粘贴…
上面这种方法太Low了，消耗时间而且以后非常难以维护，会让后面的开发人员骂死的。

继承

我们可以使用OOP的特性之一，继承的方式来解决这个问题。创建一个基类，在这个基类中添加统计方法，其他类都继承自这个基类。

然而，这种方式修改还是很大，而且定制性很差。以后有新人加入之后，都要嘱咐其继承自这个基类，所以这种方式并不可取。

Category

我们可以为UIViewController建一个Category，然后在所有控制器中引入这个Category。当然我们也可以添加一个PCH文件，然后将这个Category添加到PCH文件中。

我们创建一个Category来覆盖系统方法，系统会优先调用Category中的代码，然后在调用原类中的代码。

我们可以通过下面的这段伪代码来看一下：

#import "UIViewController+EventGather.h"

@implementation UIViewController (EventGather)

- (void)viewDidLoad {
   NSLog(@"页面统计:%@", self);
}
@end

Method Swizzling

我们可以使用苹果的“黑魔法”Method Swizzling，Method Swizzling本质上就是对IMP和SEL进行交换。

Method Swizzling原理

Method Swizzing是发生在运行时的，主要用于在运行时将两个Method进行交换，我们可以将Method Swizzling代码写到任何地方，但是只有在这段Method Swilzzling代码执行完毕之后互换才起作用。

而且Method Swizzling也是__iOS__中AOP(面相切面编程)的一种实现方式，我们可以利用苹果这一特性来实现AOP编程。

原理分析

首先，让我们通过两张图片来了解一下Method Swizzling的实现原理

上面图一中selector2原本对应着IMP2，但是为了更方便的实现特定业务需求，我们在图二中添加了selector3和IMP3，并且让selector2指向了IMP3，而selector3则指向了IMP2，这样就实现了“方法互换”。

在OC语言的runtime特性中，调用一个对象的方法就是给这个对象发送消息。是通过查找接收消息对象的方法列表，从方法列表中查找对应的SEL，这个SEL对应着一个IMP(一个IMP可以对应多个SEL)，通过这个IMP找到对应的方法调用。

在每个类中都有一个Dispatch Table，这个Dispatch Table本质是将类中的SEL和IMP(可以理解为函数指针)进行对应。而我们的Method Swizzling就是对这个table进行了操作，让SEL对应另一个IMP。

Method Swizzling使用

在实现Method Swizzling时，核心代码主要就是一个runtime的C语言API：

OBJC_EXPORT void method_exchangeImplementations(Method m1, Method m2) __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_5, __IPHONE_2_0);

代码示例

就拿上面我们说的页面统计的需求来说吧，这个需求在很多公司都很常见，我们下面的Demo就通过Method Swizzling简单的实现这个需求。

我们先给UIViewController添加一个Category，然后在Category中的+(void)load方法中添加Method Swizzling方法，我们用来替换的方法也写在这个Category中。由于load类方法是程序运行时这个类被加载到内存中就调用的一个方法，执行比较早，并且不需要我们手动调用。而且这个方法具有唯一性，也就是只会被调用一次，不用担心资源抢夺的问题。

定义Method Swizzling中我们自定义的方法时，需要注意尽量加前缀，以防止和其他地方命名冲突，Method Swizzling的替换方法命名一定要是唯一的，至少在被替换的类中必须是唯一的。

#import "UIViewController+swizzling.h"
#import <objc/runtime.h>

@implementation UIViewController (swizzling)

+ (void)load {
    // 通过class_getInstanceMethod()函数从当前对象中的method list获取method结构体，如果是类方法就使用class_getClassMethod()函数获取。
    Method fromMethod = class_getInstanceMethod([self class], @selector(viewDidLoad));
    Method toMethod = class_getInstanceMethod([self class], @selector(swizzlingViewDidLoad));
    /**
     我们在这里使用class_addMethod()函数对Method Swizzling做了一层验证，如果self没有实现被交换的方法，会导致失败。
     而且self没有交换的方法实现，但是父类有这个方法，这样就会调用父类的方法，结果就不是我们想要的结果了。
     所以我们在这里通过class_addMethod()的验证，如果self实现了这个方法，class_addMethod()函数将会返回NO，我们就可以对其进行交换了。
     */
    if (!class_addMethod([self class], @selector(swizzlingViewDidLoad), method_getImplementation(toMethod), method_getTypeEncoding(toMethod))) {
        method_exchangeImplementations(fromMethod, toMethod);
    }
}

// 我们自己实现的方法，也就是和self的viewDidLoad方法进行交换的方法。
- (void)swizzlingViewDidLoad {
    NSString *str = [NSString stringWithFormat:@"%@", self.class];
    // 我们在这里加一个判断，将系统的UIViewController的对象剔除掉
    if(![str containsString:@"UI"]){
        NSLog(@"统计打点 : %@", self.class);
    }
    [self swizzlingViewDidLoad];
}
@end

看到上面的代码，肯定有人会问：楼主，你太粗心了，你在swizzlingViewDidLoad方法中又调用了[self swizzlingViewDidLoad];，这难道不会产生递归调用吗？
答：然而…并不会😏。

还记得我们上面的图一和图二吗？Method Swizzling的实现原理可以理解为”方法互换“。假设我们将A和B两个方法进行互换，向A方法发送消息时执行的却是B方法，向B方法发送消息时执行的是A方法。

例如我们上面的代码，系统调用UIViewController的viewDidLoad方法时，实际上执行的是我们实现的swizzlingViewDidLoad方法。而我们在swizzlingViewDidLoad方法内部调用[self swizzlingViewDidLoad];时，执行的是UIViewController的viewDidLoad方法。

Method Swizzling类簇

之前我也说到，在我们项目开发过程中，经常因为NSArray数组越界或者NSDictionary的key或者value值为nil等问题导致的崩溃，对于这些问题苹果并不会报一个警告，而是直接崩溃，感觉苹果这样确实有点“太狠了”。

由此，我们可以根据上面所学，对NSArray、NSMutableArray、NSDictionary、NSMutableDictionary等类进行Method Swizzling，实现方式还是按照上面的例子来做。但是…你发现Method Swizzling根本就不起作用，代码也没写错啊，到底是什么鬼？

这是因为Method Swizzling对NSArray这些的类簇是不起作用的。因为这些类簇类，其实是一种抽象工厂的设计模式。抽象工厂内部有很多其它继承自当前类的子类，抽象工厂类会根据不同情况，创建不同的抽象对象来进行使用。例如我们调用NSArray的objectAtIndex:方法，这个类会在方法内部判断，内部创建不同抽象类进行操作。

所以也就是我们对NSArray类进行操作其实只是对父类进行了操作，在NSArray内部会创建其他子类来执行操作，真正执行操作的并不是NSArray自身，所以我们应该对其“真身”进行操作。

代码示例

下面我们实现了防止NSArray因为调用objectAtIndex:方法，取下标时数组越界导致的崩溃：

#import "NSArray+LXZArray.h"
#import "objc/runtime.h"

@implementation NSArray (LXZArray)

+ (void)load {
    Method fromMethod = class_getInstanceMethod(objc_getClass("__NSArrayI"), @selector(objectAtIndex:));
    Method toMethod = class_getInstanceMethod(objc_getClass("__NSArrayI"), @selector(lxz_objectAtIndex:));
    method_exchangeImplementations(fromMethod, toMethod);
}

- (id)lxz_objectAtIndex:(NSUInteger)index {
    if (self.count-1 < index) {
        // 这里做一下异常处理，不然都不知道出错了。
        @try {
            return [self lxz_objectAtIndex:index];
        }
        @catch (NSException *exception) {
            // 在崩溃后会打印崩溃信息，方便我们调试。
            NSLog(@"---------- %s Crash Because Method %s  ----------\n", class_getName(self.class), __func__);
            NSLog(@"%@", [exception callStackSymbols]);
            return nil;
    }
        @finally {}
    } else {
        return [self lxz_objectAtIndex:index];
    }
}
@end

大家发现了吗，__NSArrayI才是NSArray真正的类，而NSMutableArray又不一样😂。我们可以通过runtime函数获取真正的类：

objc_getClass("__NSArrayI");

举例

下面我们列举一些常用的类簇的“真身”：

其他自行Google…

JRSwizzle

在项目中我们肯定会在很多地方用到Method Swizzling，而且在使用这个特性时有很多需要注意的地方。我们可以将Method Swizzling封装起来，也可以使用一些比较成熟的第三方。
在这里我推荐__Github__上星最多的一个第三方－jrswizzle

里面核心就两个类，代码看起来非常清爽。

#import <Foundation/Foundation.h>
@interface NSObject (JRSwizzle)
+ (BOOL)jr_swizzleMethod:(SEL)origSel_ withMethod:(SEL)altSel_ error:(NSError**)error_;
+ (BOOL)jr_swizzleClassMethod:(SEL)origSel_ withClassMethod:(SEL)altSel_ error:(NSError**)error_;
@end

// MethodSwizzle类
#import <objc/objc.h>
BOOL ClassMethodSwizzle(Class klass, SEL origSel, SEL altSel);
BOOL MethodSwizzle(Class klass, SEL origSel, SEL altSel);

Method Swizzling 错误剖析

在上面的例子中，如果只是单独对NSArray或NSMutableArray中的单个类进行Method Swizzling，是可以正常使用并且不会发生异常的。如果进行Method Swizzling的类中，有两个类有继承关系的，并且Swizzling了同一个方法。例如同时对NSArray和NSMutableArray中的objectAtIndex:方法都进行了Swizzling，这样可能会导致父类Swizzling失效的问题。

对于这种问题主要是两个原因导致的，首先是不要在+ (void)load方法中调用[super load]方法，这会导致父类的Swizzling被重复执行两次，这样父类的Swizzling就会失效。例如下面的两张图片，你会发现由于NSMutableArray调用了[super load]导致父类NSArray的Swizzling代码被执行了两次。

错误代码：

#import "NSMutableArray+LXZArrayM.h"

@implementation NSMutableArray (LXZArrayM)

+ (void)load {
    // 这里不应该调用super，会导致父类被重复Swizzling
    [super load];
    
    Method fromMethod = class_getInstanceMethod(objc_getClass("__NSArrayM"), @selector(objectAtIndex:));
    Method toMethod = class_getInstanceMethod(objc_getClass("__NSArrayM"), @selector(lxz_objectAtIndexM:));
    method_exchangeImplementations(fromMethod, toMethod);
}

这里由于在子类中调用了super，导致NSMutableArray执行时，父类NSArray也被执行了一次。

父类NSArray执行了第二次Swizzling，这时候就会出现问题，后面会讲具体原因。

这样就会导致程序运行过程中，子类调用Swizzling的方法是没有问题的，父类调用同一个方法就会发现Swizzling失效了…具体原因我们后面讲！

还有一个原因就是因为代码逻辑导致Swizzling代码被执行了多次，这也会导致Swizzling失效，其实原理和上面的问题是一样的，我们下面讲讲为什么会出现这个问题。

问题原因

我们上面提到过Method Swizzling的实现原理就是对类的Dispatch Table进行操作，每进行一次Swizzling就交换一次SEL和IMP(可以理解为函数指针)，如果Swizzling被执行了多次，就相当于SEL和IMP被交换了多次。这就会导致第一次执行成功交换了、第二次执行又换回去了、第三次执行…这样换来换去的结果，能不能成功就看运气了😄，这也是好多人说Method Swizzling不好用的原因之一。

一图胜千言：

从这张图中我们也可以看出问题产生的原因了，就是Swizzling的代码被重复执行，为了避免这样的原因出现，我们可以通过__GCD__的dispatch_once函数来解决，利用dispatch_once函数内代码只会执行一次的特性。

在每个Method Swizzling的地方，加上dispatch_once函数保证代码只被执行一次。当然在实际使用中也可以对下面代码进行封装，这里只是给一个示例代码。

#import "NSMutableArray+LXZArrayM.h"

@implementation NSMutableArray (LXZArrayM)

+ (void)load {
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        Method fromMethod = class_getInstanceMethod(objc_getClass("__NSArrayM"), @selector(objectAtIndex:));
        Method toMethod = class_getInstanceMethod(objc_getClass("__NSArrayM"), @selector(lxz_objectAtIndexM:));
        method_exchangeImplementations(fromMethod, toMethod);
    });
}

这里还要告诉大家一个调试小技巧，已经知道的可以略过😊。我们之前说过IMP本质上就是函数指针，所以我们可以通过打印函数指针的方式，查看SEL和IMP的交换流程。

先来一段测试代码

Method fromMethod = class_getInstanceMethod(objc_getClass("__NSArrayI"), @selector(objectAtIndex:));
Method toMethod = class_getInstanceMethod(objc_getClass("__NSArrayI"), @selector(lxz_objectAtIndex:));
    
NSLog(@"%p", method_getImplementation(fromMethod));
NSLog(@"%p", method_getImplementation(toMethod));
method_exchangeImplementations(fromMethod, toMethod);
    
NSLog(@"%p", method_getImplementation(fromMethod));
NSLog(@"%p", method_getImplementation(toMethod));
method_exchangeImplementations(fromMethod, toMethod);
    
NSLog(@"%p", method_getImplementation(fromMethod));
NSLog(@"%p", method_getImplementation(toMethod));
method_exchangeImplementations(fromMethod, toMethod);
    
NSLog(@"%p", method_getImplementation(fromMethod));
NSLog(@"%p", method_getImplementation(toMethod));

看到这个打印结果，大家应该明白什么问题了吧：

2016-04-13 14:16:33.477 [16314:4979302]      0x1851b7020
2016-04-13 14:16:33.479 [16314:4979302]      0x1000fb3c8
2016-04-13 14:16:33.479 [16314:4979302]      0x1000fb3c8
2016-04-13 14:16:33.480 [16314:4979302]      0x1851b7020
2016-04-13 14:16:33.480 [16314:4979302]      0x1851b7020
2016-04-13 14:16:33.480 [16314:4979302]      0x1000fb3c8
2016-04-13 14:16:33.481 [16314:4979302]      0x1000fb3c8
2016-04-13 14:16:33.481 [16314:4979302]      0x1851b7020

Method Swizzling源码分析

下面是Method Swizzling的实现源码，从源码来看，其实内部实现很简单。核心代码就是交换两个Method的imp函数指针，这也就是方法被swizzling多次，可能会被换回去的原因，因为每次调用都会执行一次交换操作。

void method_exchangeImplementations(Method m1, Method m2)
{
    if (!m1  ||  !m2) return;

    rwlock_writer_t lock(runtimeLock);

    IMP m1_imp = m1->imp;
    m1->imp = m2->imp;
    m2->imp = m1_imp;

    flushCaches(nil);

    updateCustomRR_AWZ(nil, m1);
    updateCustomRR_AWZ(nil, m2);
}

Method Swizzling危险吗？

既然Method Swizzling可以对这个类的Dispatch Table进行操作，操作后的结果对所有当前类及子类都会产生影响，所以有人认为Method Swizzling是一种危险的技术，用不好很容易导致一些不可预见的__bug__，这些__bug__一般都是非常难发现和调试的。

这个问题可以引用念茜大神的一句话：使用 Method Swizzling 编程就好比切菜时使用锋利的刀，一些人因为担心切到自己所以害怕锋利的刀具，可是事实上，使用钝刀往往更容易出事，而利刀更为安全。

在这个Demo中通过Method Swizzling，简单实现了一个崩溃拦截功能。实现方式就是将原方法Swizzling为自己定义的方法，在执行时先在自己方法中做判断，根据是否异常再做下一步处理。

Demo只是来辅助读者更好的理解文章中的内容，应该博客结合Demo一起学习，只看Demo还是不能理解更深层的原理。Demo中代码都会有注释，各位可以打断点跟着Demo执行流程走一遍，看看各个阶段变量的值。

Demo地址：刘小壮的Github

简书由于排版的问题，阅读体验并不好，布局、图片显示、代码等很多问题。所以建议到我Github上，下载Runtime PDF合集。把所有Runtime文章总计九篇，都写在这个PDF中，而且左侧有目录，方便阅读。

下载地址：Runtime PDF
麻烦各位大佬点个赞，谢谢！😁