本文主要介紹Objective-C對象模型的實作細節，以及Objective-C語言對象模型中對isa swizzling和method swizzling的支援。希望本文能加深你對Objective-C對象的了解。
ISA指針
Objective-C是一門面向對象的程式設計語言。每一個對象都是一個類的執行個體。在Objective-C語言的内部，每一個對象都有一個名為isa的指針，指向該對象的類。每一個類描述了一系列它的執行個體的特點，包括成員變量的清單，成員函數的清單等。每一個對象都可以接受消息，而對象能夠接收的消息清單是儲存在它所對應的類中。
在XCode中按Shift + Command + O, 然後輸入NSObject.h和objc.h，可以打開NSObject的定義頭檔案，通過頭檔案我們可以看到，NSObject就是一個包含isa指針的結構體，如下圖所示：
按照面向對象語言的設計原則，所有事物都應該是對象（嚴格來說Objective-C并沒有完全做到這一點，因為它有象int, double這樣的簡單變量類型）。在Objective-C語言中，每一個類實際上也是一個對象。每一個類也有一個名為isa的指針。每一個類也可以接受消息，例如[NSObject alloc]，就是向NSObject這個類發送名為alloc消息。
在XCode中按Shift + Command + O, 然後輸入runtime.h，可以打開Class的定義頭檔案，通過頭檔案我們可以看到，Class也是一個包含isa指針的結構體，如下圖所示。（圖中除了isa外還有其它成員變量，但那是為了相容非2.0版的Objective-C的遺留邏輯，大家可以忽略它。）
因為類也是一個對象，那它也必須是另一個類的實列，這個類就是元類(metaclass)。元類儲存了類方法的清單。當一個類方法被調用時，元類會首先查找它本身是否有該類方法的實作，如果沒有，則該元類會向它的父類查找該方法，直到一直找到繼承鍊的頭。
元類(metaclass)也是一個對象，那麼元類的isa指針又指向哪裡呢？為了設計上的完整，所有的元類的isa指針都會指向一個根元類(root metaclass)。根元類(root metaclass)本身的isa指針指向自己，這樣就行成了一個閉環。上面提到，一個對象能夠接收的消息清單是儲存在它所對應的類中的。在實際程式設計中，我們幾乎不會遇到向元類發消息的情況，那它的isa指針在實際上很少用到。不過這麼設計保證了面向對象的幹淨，即所有事物都是對象，都有isa指針。
我們再來看看繼承關系，由于類方法的定義是儲存在元類(metaclass)中，而方法調用的規則是，如果該類沒有一個方法的實作，則向它的父類繼續查找。是以，為了保證父類的類方法可以在子類中可以被調用，是以子類的元類會繼承父類的元類，換而言之，類對象和元類對象有着同樣的繼承關系。
我很想把關系說清楚一些，但是這塊兒确實有點繞，下面這張圖或許能夠讓大家對isa和繼承的關系清楚一些
該圖中，最讓人困惑的莫過于Root Class了。在實作中，Root Class是指NSObject，我們可以從圖中看出：
- NSObject類包括它的對象執行個體方法。
- NSObject的元類包括它的類方法，例如alloc方法。
- NSObject的元類繼承自NSObject類。
- 一個NSObject的類中的方法同時也會被NSObject的子類在查找方法時找到。
類的成員變量
如果把類的執行個體看成一個C語言的結構體（struct），上面說的isa指針就是這個結構體的第一個成員變量，而類的其它成員變量依次排列在結構體中。排列順序如下圖所示（圖檔來自《iOS 6 Programming Pushing the Limits》）：
為了驗證該說法，我們在XCode中建立一個工程，在main.m中運作如下代碼：
#import <UIKit/UIKit.h>
@interface Father : NSObject {
int _father;
}
@end
@implementation Father
@end
@interface Child : Father {
int _child;
}
@end
@implementation Child
@end
int main(int argc, char * argv[])
{
Child * child = [[Child alloc] init];
@autoreleasepool {
// ...
}
}
我們将斷點下在 @autoreleasepool 處，然後在Console中輸入p *child,則可以看到Xcode輸出如下内容，這與我們上面的說法一緻。
(lldb) p *child
(Child) $0 = {
(Father) Father = {
(NSObject) NSObject = {
(Class) isa = Child
}
(int) _father = 0
}
(int) _child = 0
}
可變與不可變
因為對象在記憶體中的排布可以看成一個結構體，該結構體的大小并不能動态變化。是以無法在運作時動态給對象增加成員變量。
相對的，對象的方法定義都儲存在類的可變區域中。Objective-C 2.0并未在頭檔案中将實作暴露出來，但在Objective-C 1.0中，我們可以看到方法的定義清單是一個名為 methodLists的指針的指針（如下圖所示）。通過修改該指針指向的指針的值，就可以實作動态地為某一個類增加成員方法。這也是Category實作的原理。同時也說明了為什麼Category隻可為對象增加成員方法，卻不能增加成員變量。
需要特别說明一下，通過objc_setAssociatedObject 和 objc_getAssociatedObject方法可以變相地給對象增加成員變量，但由于實作機制不一樣，是以并不是真正改變了對象的記憶體結構。
除了對象的方法可以動态修改，因為isa本身也隻是一個指針，是以我們也可以在運作時動态地修改isa指針的值，達到替換對象整個行為的目的。不過該應用場景較少。
系統相關API及應用
isa swizzling的應用
系統提供的KVO的實作，就利用了動态地修改isa指針的值的技術。在蘋果的文檔中可以看到如下描述：
Key-Value Observing Implementation Details
Automatic key-value observing is implemented using a technique called isa-swizzling.
The isa pointer, as the name suggests, points to the object’s class which maintains a dispatch table. This dispatch table essentially contains pointers to the methods the class implements, among other data.
When an observer is registered for an attribute of an object the isa pointer of the observed object is modified, pointing to an intermediate class rather than at the true class. As a result the value of the isa pointer does not necessarily reflect the actual class of the instance.
You should never rely on the isa pointer to determine class membership. Instead, you should use the class method to determine the class of an object instance.
Method Swizzling API說明
Objective-C提供了以下API來動态替換類方法或執行個體方法的實作：
- class_replaceMethod 替換類方法的定義
- method_exchangeImplementations 交換2個方法的實作
- method_setImplementation 設定1個方法的實作
這3個方法有一些細微的差别，給大家介紹如下：
- class_replaceMethod在蘋果的文檔（如下圖所示）中能看到，它有兩種不同的行為。當類中沒有想替換的原方法時，該方法會調用class_addMethod來為該類增加一個新方法，也因為如此，class_replaceMethod在調用時需要傳入types參數，而method_exchangeImplementations和method_setImplementation卻不需要。
- method_exchangeImplementations 的内部實作相當于調用了2次method_setImplementation方法，從蘋果的文檔中能清晰地了解到（如下圖所示）
從以上的差別我們可以總結出這3個API的使用場景:
- class_replaceMethod, 當需要替換的方法可能有不存在的情況時，可以考慮使用該方法。
- method_exchangeImplementations，當需要交換2個方法的實作時使用。
- method_setImplementation 最簡單的用法，當僅僅需要為一個方法設定其實作方式時使用。
以上3個方法的源碼在這裡，感興趣的同學可以讀一讀。
使用示例
我們在開發用戶端的筆記功能時，需要使用系統的UIImagePickerController。但是，我們發現，在iOS6.0.2系統下，系統提供的UIImagePickerController在iPad橫屏下有轉屏的Bug，造成其方向錯誤。具體的Bug詳情可以見這裡。
為了修複該Bug，我們需要替換UIImagePickerController的如下2個方法
- (BOOL)shouldAutorotate;
- (UIInterfaceOrientation)preferredInterfaceOrientationForPresentation;
我們先實作了一個名為ImagePickerReplaceMethodsHolder的類，用于定義替換後的方法和實作。如下所示：
// ImagePickerReplaceMethodsHolder.h
@interface ImagePickerReplaceMethodsHolder : NSObject
- (BOOL)shouldAutorotate;
- (UIInterfaceOrientation)preferredInterfaceOrientationForPresentation;
@end
// ImagePickerReplaceMethodsHolder.m
@implementation ImagePickerReplaceMethodsHolder
- (BOOL)shouldAutorotate {
return NO;
}
- (UIInterfaceOrientation)preferredInterfaceOrientationForPresentation {
return UIInterfaceOrientationPortrait;
}
@end
開源界的使用
有少量不明真相的同學以為蘋果在稽核時會拒絕App使用以上API，這其實是對蘋果的誤解。使用如上API是安全的。另外，開源界也對以上方法都适當的使用。例如：
- 著名的網絡庫AFNetworking。AFNetworking網絡庫(v1.x版本)使用了class_replaceMethod方法（AFHTTPRequestOperation.m檔案第105行）
- Nimbus。Nimbus是著名的工具類庫，它在其core子產品中提供了NIRuntimeClassModifications.h檔案，用于提供上述API的封裝。
- 國内的大衆點評iOS用戶端。該用戶端使用了他們自己開發的基于Wax修改而來的WaxPatch，WaxPatch可以實作通過伺服器更新來動态修改用戶端的邏輯。而WaxPatch主要是修改了wax中的wax_instance.m檔案，在其中加入了class_replaceMethod來替換原始實作，進而實作修改用戶端的原有行為。
總結
通過本文，我們了解到了Objective-C語言的對象模型，以及Objective-C語言對象模型中對isa swizzling和method swizzling的支援。本文也通過具體的執行個體代碼和開源項目，讓我們對該對象模型提供的動态性有了更加深刻的認識。