深入了解Objective-C：Category

摘要

無論一個類設計的多麼完美，在未來的需求演進中，都有可能會碰到一些無法預測的情況。那怎麼擴充已有的類呢？一般而言，繼承群組合是不錯的選擇。但是在objective-c 2.0中，又提供了category這個語言特性，可以動态地為已有類添加新行為。如今category已經遍布于objective-c代碼的各個角落，從apple官方的framework到各個開源架構，從功能繁複的大型app到簡單的應用，catagory無處不在。本文對category做了比較全面的整理，希望對讀者有所裨益。

簡介

本文作者來自美團酒店旅遊事業群ios研發組。我們緻力于創造價值、提升效率、追求卓越。歡迎大家加入我們（履歷請發送到郵箱[email protected]）。

本文系學習objective-c的runtime源碼時整理所成，主要剖析了category在runtime層的實作原理以及和category相關的方方面面，内容包括：

初入寶地-category簡介

連類比事-category和extension

挑燈細覽-category真面目

追本溯源-category如何加載

旁枝末葉-category和+load方法

觸類旁通-category和方法覆寫

更上一層-category和關聯對象

1、初入寶地-category簡介

category是objective-c 2.0之後添加的語言特性，category的主要作用是為已經存在的類添加方法。除此之外，apple還推薦了category的另外兩個使用場景1

可以把類的實作分開在幾個不同的檔案裡面。這樣做有幾個顯而易見的好處，a)可以減少單個檔案的體積 b)可以把不同的功能組織到不同的category裡 c)可以由多個開發者共同完成一個類 d)可以按需加載想要的category 等等。

聲明私有方法

不過除了apple推薦的使用場景，廣大開發者腦洞大開，還衍生出了category的其他幾個使用場景：

模拟多繼承

把framework的私有方法公開

objective-c的這個語言特性對于純動态語言來說可能不算什麼，比如javascript，你可以随時為一個“類”或者對象添加任意方法和執行個體變量。但是對于不是那麼“動态”的語言而言，這确實是一個了不起的特性。

2、連類比事-category和extension

extension看起來很像一個匿名的category，但是extension和有名字的category幾乎完全是兩個東西。 extension在編譯期決議，它就是類的一部分，在編譯期和頭檔案裡的@interface以及實作檔案裡的@implement一起形成一個完整的類，它伴随類的産生而産生，亦随之一起消亡。extension一般用來隐藏類的私有資訊，你必須有一個類的源碼才能為一個類添加extension，是以你無法為系統的類比如nsstring添加extension。（詳見2）

但是category則完全不一樣，它是在運作期決議的。

就category和extension的差別來看，我們可以推導出一個明顯的事實，extension可以添加執行個體變量，而category是無法添加執行個體變量的（因為在運作期，對象的記憶體布局已經确定，如果添加執行個體變量就會破壞類的内部布局，這對編譯型語言來說是災難性的）。

3、挑燈細覽-category真面目

我們知道，所有的oc類和對象，在runtime層都是用struct表示的，category也不例外，在runtime層，category用結構體category_t（在objc-runtime-new.h中可以找到此定義），它包含了

1)、類的名字（name）

2)、類（cls）

3)、category中所有給類添加的執行個體方法的清單（instancemethods）

4)、category中所有添加的類方法的清單（classmethods）

5)、category實作的所有協定的清單（protocols）

6)、category中添加的所有屬性（instanceproperties）

從category的定義也可以看出category的可為（可以添加執行個體方法，類方法，甚至可以實作協定，添加屬性）和不可為（無法添加執行個體變量）。

ok，我們先去寫一個category看一下category到底為何物：

myclass.h：

myclass.m：

我們使用clang的指令去看看category到底會變成什麼：

好吧，我們得到了一個3m大小，10w多行的.cpp檔案（這絕對是apple值得吐槽的一點），我們忽略掉所有和我們無關的東西，在檔案的最後，我們找到了如下代碼片段：

我們可以看到，

1)、首先編譯器生成了執行個體方法清單objc$_category_instance_methodsmyclass$_myaddition和屬性清單objc$_prop_listmyclass$_myaddition，兩者的命名都遵循了公共字首+類名+category名字的命名方式，而且執行個體方法清單裡面填充的正是我們在myaddition這個category裡面寫的方法printname，而屬性清單裡面填充的也正是我們在myaddition裡添加的name屬性。還有一個需要注意到的事實就是category的名字用來給各種清單以及後面的category結構體本身命名，而且有static來修飾，是以在同一個編譯單元裡我們的category名不能重複，否則會出現編譯錯誤。

2)、其次，編譯器生成了category本身objc$_categorymyclass$_myaddition，并用前面生成的清單來初始化category本身。

3)、最後，編譯器在data段下的objc_catlist section裡儲存了一個大小為1的category_t的數組l_objc_labelcategory$（當然，如果有多個category，會生成對應長度的數組^_^），用于運作期category的加載。

到這裡，編譯器的工作就接近尾聲了，對于category在運作期怎麼加載，我們下節揭曉。

4、追本溯源-category如何加載

我們知道，objective-c的運作是依賴oc的runtime的，而oc的runtime和其他系統庫一樣，是os x和ios通過dyld動态加載的。

想了解更多dyld地同學可以移步這裡（3）。

對于oc運作時，入口方法如下（在objc-os.mm檔案中）：

category被附加到類上面是在map_images的時候發生的，在new-abi的标準下，_objc_init裡面的調用的map_images最終會調用objc-runtime-new.mm裡面的_read_images方法，而在_read_images方法的結尾，有以下的代碼片段：

首先，我們拿到的catlist就是上節中講到的編譯器為我們準備的category_t數組，關于是如何加載catlist本身的，我們暫且不表，這和category本身的關系也不大，有興趣的同學可以去研究以下apple的二進制格式和load機制。

略去printconnecting這個用于log的東西，這段代碼很容易了解：

1)、把category的執行個體方法、協定以及屬性添加到類上

2)、把category的類方法和協定添加到類的metaclass上

值得注意的是，在代碼中有一小段注釋 / || cat->classproperties /，看來蘋果有過給類添加屬性的計劃啊。

ok，我們接着往裡看，category的各種清單是怎麼最終添加到類上的，就拿執行個體方法清單來說吧：

在上述的代碼片段裡，addunattachedcategoryforclass隻是把類和category做一個關聯映射，而remethodizeclass才是真正去處理添加事宜的功臣。

而對于添加類的執行個體方法而言，又會去調用attachcategorymethods這個方法，我們去看下attachcategorymethods：

attachcategorymethods做的工作相對比較簡單，它隻是把所有category的執行個體方法清單拼成了一個大的執行個體方法清單，然後轉交給了attachmethodlists方法（我發誓，這是本節我們看的最後一段代碼了^_^），這個方法有點長，我們隻看一小段：

需要注意的有兩點：

1)、category的方法沒有“完全替換掉”原來類已經有的方法，也就是說如果category和原來類都有methoda，那麼category附加完成之後，類的方法清單裡會有兩個methoda

2)、category的方法被放到了新方法清單的前面，而原來類的方法被放到了新方法清單的後面，這也就是我們平常所說的category的方法會“覆寫”掉原來類的同名方法，這是因為運作時在查找方法的時候是順着方法清單的順序查找的，它隻要一找到對應名字的方法，就會罷休^_^，殊不知後面可能還有一樣名字的方法。

5、旁枝末葉-category和+load方法

我們知道，在類和category中都可以有+load方法，那麼有兩個問題：

1)、在類的+load方法調用的時候，我們可以調用category中聲明的方法麼？

2)、這麼些個+load方法，調用順序是咋樣的呢？

鑒于上述幾節我們看的代碼太多了，對于這兩個問題我們先來看一點直覺的：

我們的代碼裡有myclass和myclass的兩個category （category1和category2），myclass和兩個category都添加了+load方法，并且category1和category2都寫了myclass的printname方法。

在xcode中點選edit scheme，添加如下兩個環境變量（可以在執行load方法以及加載category的時候列印log資訊，更多的環境變量選項可參見objc-private.h）:

運作項目，我們會看到控制台列印很多東西出來，我們隻找到我們想要的資訊，順序如下：

objc[1187]: replaced: -[myclass printname] by category category1

objc[1187]: replaced: -[myclass printname] by category category2

.

objc[1187]: load: class 'myclass' scheduled for +load

objc[1187]: load: category 'myclass(category1)' scheduled for +load

objc[1187]: load: category 'myclass(category2)' scheduled for +load

objc[1187]: load: +[myclass load]

objc[1187]: load: +[myclass(category1) load]

objc[1187]: load: +[myclass(category2) load]

是以，對于上面兩個問題，答案是很明顯的：

1)、可以調用，因為附加category到類的工作會先于+load方法的執行

2)、+load的執行順序是先類，後category，而category的+load執行順序是根據編譯順序決定的。

目前的編譯順序是這樣的：

我們調整一個category1和category2的編譯順序，run。ok，我們可以看到控制台的輸出順序變了：

雖然對于+load的執行順序是這樣，但是對于“覆寫”掉的方法，則會先找到最後一個編譯的category裡的對應方法。

這一節我們隻是用很直覺的方式得到了問題的答案，有興趣的同學可以繼續去研究一下oc的運作時代碼。

6、觸類旁通-category和方法覆寫

鑒于上面幾節我們已經把原理都講了，這一節隻有一個問題:

怎麼調用到原來類中被category覆寫掉的方法？

對于這個問題，我們已經知道category其實并不是完全替換掉原來類的同名方法，隻是category在方法清單的前面而已，是以我們隻要順着方法清單找到最後一個對應名字的方法，就可以調用原來類的方法：

7、更上一層-category和關聯對象

如上所見，我們知道在category裡面是無法為category添加執行個體變量的。但是我們很多時候需要在category中添加和對象關聯的值，這個時候可以求助關聯對象來實作。

myclass+category1.h:

myclass+category1.m:

但是關聯對象又是存在什麼地方呢？ 如何存儲？ 對象銷毀時候如何處理關聯對象呢？

我們去翻一下runtime的源碼，在objc-references.mm檔案中有個方法_object_set_associative_reference：

我們可以看到所有的關聯對象都由associationsmanager管理，而associationsmanager定義如下：

associationsmanager裡面是由一個靜态associationshashmap來存儲所有的關聯對象的。這相當于把所有對象的關聯對象都存在一個全局map裡面。而map的的key是這個對象的指針位址（任意兩個不同對象的指針位址一定是不同的），而這個map的value又是另外一個associationshashmap，裡面儲存了關聯對象的kv對。

而在對象的銷毀邏輯裡面，見objc-runtime-new.mm:

嗯，runtime的銷毀對象函數objc_destructinstance裡面會判斷這個對象有沒有關聯對象，如果有，會調用_object_remove_assocations做關聯對象的清理工作。

後記

正如侯捷先生所講-“源碼面前，了無秘密”，apple的cocoa touch架構雖然并不開源，但是objective-c的runtime和core foundation卻是完全開放源碼的(在http://www.opensource.apple.com/tarballs/可以下載下傳到全部的開源代碼)。

本系列runtime源碼學習将會持續更新，意猶未盡的同學可以自行到上述網站下載下傳源碼學習。行筆簡陋，如有錯誤，望指正。

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