iPhone开发入门（7）--- 从C/C++语言到Objective-C语言

Objective-C，通常写作ObjC和较少用的Objective C或Obj-C，是扩充C的面向对象语言。所以有一定C/C++语言基础理解和掌握Objective-C也会相应的快些。这回，我们将比较着学习Objective-C语言，掌握其语法并理解其思想。

语法
让我们先来看看C++和Objective-C中对于类的宣言 :

C++
 #include "BaseClass.h"

class MyClass : public BaseClass
{
public:
                    MyClass();
    virtual         ~MyClass();

    virtual int     GetValue() const;
    virtual void    SetValue(int     inValue);

    bool            IsValid() const;

    static MyClass* GetInstance();

private:
    int             mValue;
    static MyClass* sInstance;
};

Objective-C
 #import "BaseClass.h"

@interface MyClass : BaseClass

{
    int         mValue;

}

- (int)         getValue;
- (void)        setValue:   (int)   inValue;
- (BOOL)        isValid;

+ (MyClass*)    getInstance;

@end

通过比较上面两段代码，从语法的角度上我们看到 Objective-C 语言有以下特点:

用 #import 取代了 #include
#import 相当于 C/C++ 语言中的 #include＋#pragma once。当头文件嵌套包含的时候，它的作用就发挥出来了。
当某一头文件已经被读取后，又一次被 #include 的时候，#pragma once 这会跳过该次读取。
比如我们在C/C++语言的头文件中常常这样定义，就是为了实现 #pragma once 而做的 :1
2
3 #ifndef INCLUDED_BASECLASS_H
#include    "BaseClass.h"
#endif

继承的时候没有限定符
继承都是 public 的。没有构建和虚构函数
成员变量/函数没有限定符
成员变量缺省是 private 的，而函数是 public 的。没有const关键字
没有virtual关键字
Objective-C 中函数缺省的就是 virtual 的。接下来再看看具体的实现 :

C++
 #include    "MyClass.h"
#include   

MyClass*    MyClass::sInstance = 0;

MyClass::MyClass() : mValue(0)
{
}

MyClass::~MyClass()
{
    mValue = -1;
}

int MyClass::GetValue() const
{
    return (mValue);
}

void MyClass::SetValue(int     inValue)
{
    assert(IsValid());
    mValue = inValue;
}

bool MyClass::IsValid() const
{
    return (0 <= inValue && inValue <= 1000);
}

MyClass* MyClass::GetInstance()
{
    if (sInstance == 0) {
        sInstance = new MyClass();
    }
    return (sInstance);
}

Objective-C
 #import "MyClass.h"

static MyClass* sInstance = 0;

@implementation MyClass

- (int)         getValue
{
    return (mValue);
}

- (void)     setValue:  (int)         inValue
{
    NSParameterAssert([self isValid]);
    mValue = inValue;
}

- (BOOL)            isValid
{
    return (0 <= inValue && inValue <= 1000);
}

+ (MyClass*)        getInstance
{
    if (sInstance == 0) {
        sInstance = [MyClass alloc];
    }
    return (sInstance);
}

@end

实例方法
方法前面的“-”是实例方法（类似于C++中的类成员函数）类方法
前缀为“+”的是类方法（类似于C++中的静态成员函数，或者是全局函数）类变量
与C/C++语言中的静态变量一样，Objective-C 中的类变量就是以 static 声明的变量。（只在当前定义文件中有效）
如果子类也想参照父类中的类变量的时候，须定义属性参照方法（类方法）。（这与面向对象中的封装概念有所背驰，降低了凝聚度）单一继承
Objective-C 与 Java 语言一样，都是单一继承。
如果想实现多重继承，可以只用类似Java 中 implements 的方法。（Objective-C 中叫做 protocol）发送消息
Objective-C 中类似于C/C++中函数调用的地方都被称作“发送消息”。调用某个函数，被称为发送了某个消息。其形式如下图所示 :

Objective-C的发送消息

 

方法，SEL，方法实现

Objective-C 中方法，SEL型，实现的关系如如下图所示 :

Objective-C的方法

 

概念
SEL，IMP的定义
接下来，我们来看看 Objective-C 语言中的头文件 objc.h 的定义 :

 // objc.h

typedef struct objc_class *Class;

typedef struct objc_object {
  Class isa;
} *id;

typedef struct objc_selector  *SEL;
typedef id      (*IMP)(id, SEL, …);
typedef signed char   BOOL;

#define YES             (BOOL)1
#define NO              (BOOL)0

#ifndef Nil
#define Nil 0   /* id of Nil class */
#endif

#ifndef nil
#define nil 0   /* id of Nil instance */
#endif

id
id和void *并非完全一样。在上面的代码中，id是指向struct objc_object的一个指针，这个意思基本上是说，id是一个指向任何一个继承了Object（或者NSObject）类的对象。需要注意的是id 是一个指针，所以你在使用id的时候不需要加星号。比如id foo=nil定义了一个nil指针，这个指针指向NSObject的一个任意子类。而id *foo=nil则定义了一个指针，这个指针指向另一个指针，被指向的这个指针指向NSObject的一个子类。

Objective-C的Object

nil
nil和C语言的NULL相同，在objc/objc.h中定义。nil表示一个Objctive-C对象，这个对象的指针指向空（没有东西就是空）。

Nil
首字母大写的Nil和nil有一点不一样，Nil定义一个指向空的类（是Class，而不是对象）。

SEL
SEL是“selector”的一个类型，表示一个方法的名字。比如以下方法：

-[Foo count] 和 -[Bar count] 使用同一个selector，它们的selector叫做count。

在上面的头文件里我们看到，SEL是指向 struct objc_selector的指针，但是objc_selector是什么呢？那么实际上，你使用GNU Objective-C的运行时间库和NeXT Objective-C的运行运行时间库（Mac OS X使用NeXT的运行时间库）时,它们的定义是不一样的。实际上Mac OSX仅仅将SEL映射为C字符串。比如，我们定义一个Foo的类，这个类带有一个- (int) blah方法，那么以下代码：

1 NSLog (@"SEL=%s", @selector(blah));

会输出为 SEL=blah。说白了SEL就是返回方法名。

这样的机制大大的增加了我们的程序的灵活性，我们可以通过给一个方法传递SEL参数，让这个方法动态的执行某一个方法；我们也可以通过配置文件指定需要执行的方法，程序读取配置文件之后把方法的字符串翻译成为SEL变量然后给相应的对象发送这个消息。

在 Objective-C 运行时库中，selector 是作为数组来管理的。这都是从效率的角度出发：函数调用的时候，不是通过方法名字比较而是指针值的比较来查找方法，由于整数的查找和匹配比字符串要快得多，所以这样可以在某种程度上提高执行的效率。

这样就必须保证所有类中的 selector 须指向同一实体（数组）。一旦有新的类被定义，其中的 selector 也需要映射到这个数组中。

实际情况下，总共有两种 selector 的数组：预先定义好的内置selector数组和用于动态追加的selector数组。

内置selector
简单地说，内置的selector就是一个大的字符串数组。定义在objc-sel-table.h文件中:1
 #define NUM_BUILTIN_SELS 16371
/* base-2 log of greatest power of 2 < NUM_BUILTIN_SELS */
#define LG_NUM_BUILTIN_SELS 13

static const char * const _objc_builtin_selectors[NUM_BUILTIN_SELS] = {
    ".cxx_construct",
    ".cxx_destruct",
    "CGColorSpace",
    "CGCompositeOperationInContext:",
    "CIContext",
    "CI_affineTransform",
    "CI_arrayWithAffineTransform:",
    "CI_copyWithZone:map:",
    "CI_initWithAffineTransform:",
    "CI_initWithRect:",
    "CI_rect",
    "CTM",
    "DOMDocument",
    "DTD",
    ...

};
可以看到，数组的大小NUM_BUILTIN_SELS定义为16371。字符串按照字母顺序排序，简单的都是为了运行时检索的速度（二分法查找）。
从定义好的 selector 名称我们可以看到一些新的方法名称，比如 CIConetext，CI开头的方法是由Tiger开始导入的程序库。
每次系统更新的时候，这个数组也是需要更新的。动态追加selector
另一个用于动态追加的 selector,其定义在 objc-sel.m 和 objc-sel-set.m  文件中
新的 selector 都被追加到 _buckets 成员中，其中追加和搜索使用 Hash 算法。1
 static struct __objc_sel_set *_objc_selectors = NULL;

struct __objc_sel_set {
    uint32_t _count;
    uint32_t _capacity;
    uint32_t _bucketsNum;
    SEL *_buckets;
};

IMP
从上面的头文件中我们可以看到，IMP定义为

1 id (*IMP) (id, SEL, …)。

这样说来，IMP是一个指向函数的指针，这个被指向的函数包括id(“self”指针)，调用的SEL（方法名），再加上一些其他参数。说白了IMP就是实现方法。

我们取得了函数指针之后，也就意味着我们取得了执行的时候的这段方法的代码的入口，这样我们就可以像普通的C语言函数调用一样使用这个函数指针。当然我们 可以把函数指针作为参数传递到其他的方法，或者实例变量里面，从而获得极大的动态性。我们获得了动态性，但是付出的代价就是编译器不知道我们要执行哪一个 方法所以在编译的时候不会替我们找出错误，我们只有执行的时候才知道，我们写的函数指针是否是正确的。所以，在使用函数指针的时候要非常准确地把握能够出 现的所有可能，并且做出预防。尤其是当你在写一个供他人调用的接口API的时候，这一点非常重要。

方法的定义
在头文件 objc-class.h 中，有方法的定义 :

 typedef struct objc_method *Method;

struct objc_method {
    SEL method_name;
    char *method_types;
    IMP method_imp;
};

这个定义看上去包括了我们上面说过的其他类型。也就是说，Method（我们常说的方法）表示一种类型，这种类型与selector和实现(implementation)相关。

最初的SEL是方法的名称method_name。char型的method_types表示方法的参数。最后的IMP就是实际的函数指针，指向函数的实现。

Class的定义
Class（类）被定义为一个指向struct objc_class的指针，在objc/objc-class.h中它是这么定义的：
 struct objc_class {
  struct objc_class *isa;                /* metaclass */
  struct objc_class *super_class;        /* 父类 */
  const char *name;                      /* 类名称 */
  long version;                          /* 版本 */
  long info;                             /* 类信息 */
  long instance_size;                    /* 实例大小 */
  struct objc_ivar_list *ivars;          /* 实例参数链表 */
  struct objc_method_list **methodLists; /* 方法链表 */
  struct objc_cache *cache;              /* 方法的缓存 */
  struct objc_protocol_list *protocols;  /* protocol链表 */
};

由以上的结构信息，我们可以像类似于C语言中结构体操作一样来使用成员。比如下面取得类的名称:

 Class cls;
cls = [NSString class];

printf("class name %s\n", ((struct objc_class*)cls)->name);

发送消息与函数调用的不同
Objective-C的消息传送如下图所示 :

Objective-C的消息传送

发送消息的过程，可以总结为以下内容 :

 

首先，指定调用的方法
为了方法调用，取得 selector
源代码被编译以后，方法被解释为 selector。这里的 selector 只是单纯的字符串。消息发送给对象B
消息传送使用到了 objc_msgSend 运行时API。这个API只是将 selector 传递给目标对象B。从 selector 取得实际的方法实现
首先，从对象B取得类的信息，查询方法的实现是否被缓存（上面类定义中的struct objc_cache *cache;）。如果没有被缓
存，则在方法链表中查询（上面类定义中的struct objc_method_list **methodLists;）。执行
利用函数指针，调用方法的实现。这时，第一个参数是对象实例，第二个是 selector。传送返回值
利用 objc_msgSend API 经方法的返回值传送回去。

简单地从上面发送消息的过程可以看到，最终还是以函数指针的方式调用了函数。为什么特意花那么大的功夫绕个大圈子呢？1

这些年，随着程序库尺寸的扩大，动态链接库的使用已经非常普遍。就是说，应用程序本身并不包括库代码，而是在启动时或者运行过程中动态加载程序库。这样一来一方面可以减小程序大小，另一方面可以提升了代码重用（不用再造轮子）。但是，随之带来了向下兼容的问题。

如果程序库反复升级，添加新的方法的时候，开发者与用户间必须保持一致的版本，否则将产生运行时错误。一般，解决这个问题是，调用新定义的方法的时候，实 现检查当前系统中是否存在新方法的实现。如果没有，跳过它或者简单地产生警告信息。 Objective-C中的respondsToSelector:方法就可以用来实现这样的动作。

但是，这并不是万全的解决方案。如果应用程序与新的动态程序库（含有新定义的API）一起编译后，新定义的API符号也被包含进去。而这样的应用程序放到 比较旧的系统（旧的动态程序库）中运行的时候，因为找不到链接符号，程序将不能启动。这就是 win32系统中常见的「DLL地域」。

为了解决这个问题，Objective-C 编译得到的二进制文件中，函数是作为 selector 来保存的。就是说，不管调用什么函数，二进制文件中不会包含符号信息。为了验证 Objective-C 编译的二进制文件是否包含符号信息，这里用 nm 命令来查看。

源代码如下 :

 int main (int argc, const char * argv[])
{
    NSString*   string;
    int         length;
    string = [[NSString alloc] initWithString:@"Objective-C"];
    length = [string length];

    return  0;
}

这里调用了 alloc、initWithString:、length 等方法。
  % nm Test
         U .objc_class_name_NSString
00003000 D _NXArgc
00003004 D _NXArgv
         U ___CFConstantStringClassReference
00002b98 T ___darwin_gcc3_preregister_frame_info
         U ___keymgr_dwarf2_register_sections
         U ___keymgr_global
0000300c D ___progname
000025ec t __call_mod_init_funcs
000026ec t __call_objcInit
         U __cthread_init_routine
00002900 t __dyld_func_lookup
000028a8 t __dyld_init_check
         U __dyld_register_func_for_add_image
         U __dyld_register_func_for_remove_image
...

可以看到，这里没有alloc、initWithString:、length3个方法的符号。所以，即使我们添加了新的方法，也可以在任何新旧系统中运 行。当然，函数调用之前，需要使用 respondsToSelector: 来确定方法是否存在。正是这样的特性，使得程序可以运行时动态地查询要执行的方法，提高了 Objective-C 语言的柔韧性。

Target-Action Paradigm
Objective-C 语言中，GUI控件对象间的通信利用 Target-Action Paradigm。不像其他事件驱动的 GUI 系统实现的那样，需要以回调函数的形式注册消息处理函数（Win32/MFC，Java AWT, X Window）。Target-Action Paradigm 完全是面向对象的事件传递机制。

例如用户点击菜单的事件，用Target-Action Paradigm来解释就是，调用菜单中被设定目标的Action。这个Action对应的方法不一定需要实现。目标与Action的指定与方法的实现没 有关系，源代码编译的时候不会检测，只是在运行时确认（参考前面消息传送的机制）。

运行时，通过respondsToSelector: 方法来检查实现的情况。如果有实现，那么使用performSelector:withObject:来调用具体的Action，像是下面的代码:

 // 目标对象
id target;
// 具体Action的 selector
SEL action;
...

// 确认目标是否实现Action
if ([target respondsToSelector:actioin]) {
    // 调用具体Action
    [target performSelector:action withObject:self];
}

通过这样的架构，利用 setTarget: 可以更该其他的目标，或者 setAction: 变换不同的Action。实现动态的方法调用。

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1. C/C++语言中用回调函数(callback)的概念来实现程序的动态语义，一般该回调函数都是全局或静态的函数，使用Thunk的方法可以将类的成员函数作为回调函数来使用—利用平台相关的技术将对象实例(this指针)传递给调用端。