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iPhone开发入门（7）— 从C/C++语言到Objective-C语言

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的面向对象编程语言。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++

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#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

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#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 :

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#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++

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#include    "MyClass.h"
#include    <assert.h>

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

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#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 :

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// 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：

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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:

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#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。

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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

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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 :

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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：

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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:

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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 :

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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。

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% 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:

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// 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。

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。