Objective-C的消息傳遞機制

各種語言都有些傳遞函數的方法：C語言中可以使用函數指針，C++中有函數引用、仿函數和lambda，Objective-C里也有選擇器（selector）和block。
不過由於iOS SDK中的大部分API都是selector的方式，所以本文就重點講述selector了。

Objective-C和我接觸過的其他面向對象的語言不同，它強調消息傳遞，而非方法調用。因此你可以對一個對象傳遞任何消息，而不需要在編譯期聲名這些消息的處理方法。
很顯然，既然編譯期並不能確定方法的地址，那么運行期就需要自行定位了。而Objective-C runtime就是通過“id objc_msgSend(id theReceiver, SEL theSelector, ...)”這個函數來調用方法的。其中theReceiver是調用對象，theSelector則是消息名，省略號就是C語言的不定參數了。
這里的消息名是SEL類型，它被定義為struct objc_selector *。不過文檔中並沒有透露objc_selector是什么東西，但提供了@selector指令來生成：

SEL selector = @selector(message);

@selector是在編譯期計算的，所以並不是函數調用。更進一步的測試表明，它在Mac OS X 10.6和iOS下都是一個C風格的字符串（char*）:

NSLog (@"%s", (char *)selector);

你會發現結果是“message”這個消息名。

下面就寫個測試類：

@interface Test : NSObject
@end

@implementation Test

- (NSString *)intToString:(NSInteger)number {
    return [NSString stringWithFormat:@"%d", number];
}

- (NSString *)doubleToString:(double *)number {
    return [NSString stringWithFormat:@"%f", *number];
}

- (NSString *)pointToString:(CGPoint)point {
    return [NSString stringWithFormat:@"{%f, %f}", point.x, point.y];
}

- (NSString *)intsToString:(NSInteger)number1 second:(NSInteger)number2 third:(NSInteger)number3 {
    return [NSString stringWithFormat:@"%d, %d, %d", number1, number2, number3];
}

- (NSString *)doublesToString:(double)number1 second:(double)number2 third:(double)number3 {
    return [NSString stringWithFormat:@"%f, %f, %f", number1, number2, number3];
}

- (NSString *)combineString:(NSString *)string1 withSecond:string2 withThird:string3 {
    return [NSString stringWithFormat:@"%@, %@, %@", string1, string2, string3];
}

@end

再來測試下objc_msgSend：

#import <objc/message.h>
//要使用objc_msgSend的話，就要引入這個頭文件

Test *test = [[Test alloc] init];
CGPoint point = {123, 456};
NSLog(@"%@", objc_msgSend(test, @selector(pointToString:), point));
[test release];

結果是“{123.000000, 456.000000}”。而且與之前猜想的一樣，下面這樣調用也是可以的：

NSLog(@"%@", objc_msgSend(test, (SEL)"pointToString:", point));

看到這里你應該發現了，這種實現方式只能確定消息名和參數數目，而參數類型和返回類型就給抹殺了。所以編譯器只能在編譯期警告你參數類型不對，而無法阻止你傳遞類型錯誤的參數。

接下來再看看NSObject協議提供的一些傳遞消息的方法：

• - (id)performSelector:(SEL)aSelector
• - (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)anObject
• - (id)performSelector:(SEL)aSelector withObject:(id)anObject withObject:(id)anotherObject

也沒有覺得很無語？為什么參數必須是對象？為什么最多只支持2個參數？

好在selector本身也不在乎參數類型，所以傳個不是對象的玩意也行：

NSLog(@"%@", [test performSelector:@selector(intToString:) withObject:(id)123]);

可是double和struct就不能這樣傳遞了，因為它們占的字節數和指針不一樣。如果非要用performSelector的話，就只能修改參數類型為指針了：

- (NSString *)doubleToString:(double *)number {
    return [NSString stringWithFormat:@"%f", *number];
}

double number = 123.456;
NSLog(@"%@", [test performSelector:@selector(doubleToString:) withObject:(id)(&number)]);

參數類型算是搞定了，可是要支持多個參數，還得費番氣力。理想狀態下，我們應該可以實現這2個方法：

@interface NSObject (extend)

- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObjects:(NSArray *)objects;
- (id)performSelector:(SEL)aSelector withParameters:(void *)firstParameter, ...;

@end

先看看前者，NSArray要求所有的元素都必須是對象，並且不能為nil，所以適用的范圍仍然有限。不過你可別小看它，因為你會發現根本沒法用objc_msgSend來實現，因為你在寫代碼時沒法預知參數個數。
這時候就輪到NSInvocation登場了：

@implementation NSObject (extend)

- (id)performSelector:(SEL)aSelector withObjects:(NSArray *)objects {
    NSMethodSignature *signature = [self methodSignatureForSelector:aSelector];
    NSInvocation *invocation = [NSInvocation invocationWithMethodSignature:signature];
    [invocation setTarget:self];
    [invocation setSelector:aSelector];
    
    NSUInteger i = 1;
    for (id object in objects) {
        [invocation setArgument:&object atIndex:++i];
    }
    [invocation invoke];
    
    if ([signature methodReturnLength]) {
        id data;
        [invocation getReturnValue:&data];
        return data;
    }
    return nil;
}

@end


NSLog(@"%@", [test performSelector:@selector(combineString:withSecond:withThird:) withObjects:[NSArray arrayWithObjects:@"1", @"2", @"3", nil]]);

這里有3點要注意的：

1. 因為方法調用有self（調用對象）和_cmd（選擇器）這2個隱含參數，因此設置參數時，索引應該從2開始。
2. 因為參數是對象，所以必須傳遞指針，即&object。
3. methodReturnLength為0時，表明返回類型是void，因此不需要獲取返回值。返回值是對象的情況下，不需要我們來創建buffer。但如果是C風格的字符串、數組等類型，就需要自行malloc，並釋放內存了。

再來實現第2個方法：

- (id)performSelector:(SEL)aSelector withParameters:(void *)firstParameter, ... {
    NSMethodSignature *signature = [self methodSignatureForSelector:aSelector];
    NSUInteger length = [signature numberOfArguments];
    NSInvocation *invocation = [NSInvocation invocationWithMethodSignature:signature];
    [invocation setTarget:self];
    [invocation setSelector:aSelector];
    
    [invocation setArgument:&firstParameter atIndex:2];
    va_list arg_ptr;
    va_start(arg_ptr, firstParameter);
    for (NSUInteger i = 3; i < length; ++i) {
        void *parameter = va_arg(arg_ptr, void *);
        [invocation setArgument:&parameter atIndex:i];
    }
    va_end(arg_ptr);
    
    [invocation invoke];
    
    if ([signature methodReturnLength]) {
        id data;
        [invocation getReturnValue:&data];
        return data;
    }
    return nil;
}

NSLog(@"%@", [test performSelector:@selector(combineString:withSecond:withThird:) withParameters:@"1", @"2", @"3"]);

NSInteger number1 = 1, number2 = 2, number3 = 3;
NSLog(@"%@", [test performSelector:@selector(intsToString:second:third:) withParameters:number1, number2, number3]);

和前面的實現差不多，不過由於參數長度是未知的，所以用到了[signature numberOfArguments]。當然也可以把SEL轉成字符串（可用NSStringFromSelector()），然后查找:的數量。
處理可變參數時用到了va_start、va_arg和va_end，熟悉C語言的一看就明白了。
不過由於不知道參數的類型，所以只能設為void *。而這個程序也報出了警告，說void *和NSInteger類型不兼容。而如果把參數換成double，那就直接報錯了。遺憾的是我也不知道怎么判別一個void *指針究竟是指向C數據類型，還是指向一個Objective-C對象，所以最好是封裝成Objective-C對象。如果只需要兼容C類型的話，倒是可以將setArgument的參數的&去掉，然后直接傳指針進去：

NSInteger number1 = 1, number2 = 2, number3 = 3;
NSLog(@"%@", [test performSelector:@selector(intsToString:second:third:) withParameters:&number1, &number2, &number3]);

double number4 = 1.0, number5 = 2.0, number6 = 3.0;    
NSLog(@"%@", [test performSelector:@selector(doublesToString:second:third:) withParameters:&number4, &number5, &number6]);
[test release];

至於NSObject類添加的performSelector:withObject:afterDelay:等方法，也可以用這種方式來支持多個參數。

接下來再說說剛才略過的_cmd，它還可以用來實現遞歸調用。下面就以斐波那契數列為例：

- (NSInteger)fibonacci:(NSInteger)n {
    if (n > 2) {
        return [self fibonacci:n - 1] + [self fibonacci:n - 2];
    }
    return n > 0 ? 1 : 0;
}

改成用_cmd實現就變成了這樣：

return (NSInteger)[self performSelector:_cmd withObject:(id)(n - 1)] + (NSInteger)[self performSelector:_cmd withObject:(id)(n - 2)];

或者直接用objc_msgSend：

return (NSInteger)objc_msgSend(self, _cmd, n - 1) + (NSInteger)objc_msgSend(self, _cmd, n - 2);

但是每次都通過objc_msgSend來調用顯得很費勁，有沒有辦法直接進行方法調用呢？答案是有的，這就需要用到IMP了。IMP的定義為“id (*IMP) (id, SEL, …)”，也就是一個指向方法的函數指針。
NSObject提供methodForSelector:方法來獲取IMP，因此只需稍作修改就行了：

- (NSInteger)fibonacci:(NSInteger)n {
    static IMP func;
    if (!func) {
        func = [self methodForSelector:_cmd];
    }
    
    if (n > 2) {
        return (NSInteger)func(self, _cmd, n - 1) + (NSInteger)func(self, _cmd, n - 2);
    }
    return n > 0 ? 1 : 0;
}

現在運行時間比剛才減少了1/4，還算不錯。

順便再展現一下Objective-C強大的動態性，給Test類添加一個sum:and:方法：

NSInteger sum(id self, SEL _cmd, NSInteger number1, NSInteger number2) {
    return number1 + number2;
}

class_addMethod([Test class], @selector(sum:and:), (IMP)sum, "i@:ii");
NSLog(@"%d", [test sum:1 and:2]);

class_addMethod的最后那個參數是函數的返回值和參數類型，詳細內容可以參考Type Encodings文檔。