iOS-底层原理 08：类 & 类结构分析
本文的主要目的是分析 类 & 类的结构，整篇都是围绕一个类展开的一些探索
类 的分析
类的分析 主要是分析 isa的走向 以及 继承关系
准备工作
定义两个类
- 继承自
NSObject的类CJLPerson，
@interface CJLPerson : NSObject
{
NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *cjl_name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end
@implementation CJLPerson
- (void)sayHello
{}
+ (void)sayBye
{}
@end
- 继承自
CJLPerson的类CJLTeacher
@interface CJLTeacher : CJLPerson
@end
@implementation CJLTeacher
@end
- 在main中分别用两个定义两个对象：
person & teacher
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
//ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
CJLPerson *person = [CJLPerson alloc];
CJLTeacher *teacher = [CJLTeacher alloc];
NSLog(@"Hello, World! %@ - %@",person,teacher);
}
return 0;
}
元类
首先，我们先通过一个案例的lldb调试先引入元类
- 在main中CJLTeacher部分加一个断点，运行程序
- 开启lldb调试，调试的过程如下图所示
根据调试过程，我们产生了一个疑问：为什么图中的p/x 0x001d8001000022dd & 0x00007ffffffffff8ULL 与 p/x 0x00000001000022b0 & 0x00007ffffffffff8ULL 中的类信息打印出来都是CJLPerson？
-
0x001d8001000022dd是person对象的isa指针地址，其&后得到的结果是创建person的类CJLPerson -
0x00000001000022b0是isa中获取的类信息所指的类的isa的指针地址，即CJLPerson类的类的isa指针地址，在Apple中，我们简称CJLPerson类的类为元类 - 所以，两个打印都是
CJLPerson的根本原因就是因为元类导致的
元类的说明
下面来解释什么是元类，主要有以下几点说明：
-
我们都知道
对象的isa是指向类，类的其实也是一个对象，可以称为类对象，其isa的位域指向苹果定义的元类 -
元类是系统给的，其定义和创建都是由编译器完成，在这个过程中，类的归属来自于元类 -
元类是类对象的类，每个类都有一个独一无二的元类用来存储类方法的相关信息。 -
元类本身是没有名称的，由于与类相关联，所以使用了同类名一样的名称
下面通过lldb命令来探索元类的走向，也就是isa的走位，如下图所示，可以得出一个关系链：对象 --> 类 --> 元类 --> NSobject, NSObject 指向自身
总结
从图中可以看出
-
对象的isa指向类（也可称为类对象） -
类的isa指向元类 -
元类的isa指向根元类，即NSObject -
根元类的isa指向 它自己
NSObject到底有几个？
从图中可以看出，最后的根元类是NSObject，这个NSObject 与我们日开开发中所知道的NSObject是同一个吗？
有以下两种验证方式
- 【方式一】
lldb命令验证 - 【方式二】
代码验证
【方式一】lldb命令验证
我们也通过lldb调试，来验证这两个NSObject是否是同一个，如下图所示
从图中可以看出，最后NSObject类的元类 也是NSObject，与上面的CJLPerson中的根元类（NSObject）的元类，是同一个，所以可以得出一个结论：内存中只存在存在一份根元类NSObject，根元类的元类是指向它自己
【方式二】代码验证
通过三种不同的方式获取类，看他们打印的地址是否相同
//MARK:--- 分析类对象内存 存在个数
void testClassNum(){
Class class1 = [CJLPerson class];
Class class2 = [CJLPerson alloc].class;
Class class3 = object_getClass([CJLPerson alloc]);
NSLog(@"\n%p-\n%p-\n%p-\n%p", class1, class2, class3);
}
以下是代码运行的结果
从结果中可以看出，打印的地址都是同一个，所以NSObject只有一份，即NSObject（根元类）在内存中永远只存在一份
[面试题]：类存在几份？
由于类的信息在内存中永远只存在一份，所以 类对象只有一份
著名的 isa走位 & 继承关系 图
根据上面的探索以及各种验证，对象、类、元类、根元类的关系如下图所示
isa走位
isa的走向有以下几点说明：
-
实例对象（Instance of Subclass）的isa指向类（class） -
类对象（class）isa指向元类（Meta class） -
元类（Meta class）的isa指向根元类（Root metal class） -
根元类（Root metal class）的isa指向它自己本身，形成闭环，这里的根元类就是NSObject
superclass走位
superclass（即继承关系）的走向也有以下几点说明：
-
类之间 的继承关系：-
类（subClass）继承自父类（superClass） -
父类（superClass）继承自根类（RootClass），此时的根类是指NSObject -
根类继承自nil，所以根类即NSObject可以理解为万物起源，即无中生有
-
-
元类也存在继承，元类之间的继承关系如下：-
子类的元类（metal SubClass）继承自父类的元类（metal SuperClass） -
父类的元类（metal SuperClass）继承自根元类（Root metal Class -
根元类（Root metal Class）继承于根类（Root class），此时的根类是指NSObject
-
- 【注意】
实例对象之间没有继承关系，类之间有继承关系
举例说明
以前文提及的的CJLTeacher及对象teacher 、CJLPerson及对象person举例说明，如下图所示
-
isa 走位链（两条）
-
teacher的isa走位链：
teacher(子类对象) --> CJLTeacher （子类）--> CJLTeacher（子元类） --> NSObject（根元类） --> NSObject（跟根元类，即自己） -
person的isa走位图：
teacher(父类对象) --> CJLTeacher （父类）--> CJLTeacher（父元类） --> NSObject（根元类） --> NSObject（跟根元类，即自己）
-
-
superclass走位链（两条）
-
类的继承关系链：
CJLTeacher（子类） --> CJLPerson(父类) --> NSObject（根类）--> nil -
元类的继承关系链：
CJLTeacher（子元类） --> CJLPerson(父元类) --> NSObject（根元类）--> NSObject（根类）--> nil
-
objc_class & objc_object
isa走位我们理清楚了，又来了一个新的问题：为什么 对象 和 类都有isa属性呢？这里就不得不提到两个结构体类型：objc_class & objc_object
下面在这两个结构体的基础上，对上述问题进行探索。
在上一篇文章iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理中，使用clang编译过main.m文件，从编译后的c++文件中可以看到如下c++源码
-
NSObject的底层编译是NSObject_IMPL结构体，- 其中
Class是isa指针的类型，是由objc_class定义的类型， - 而
objc_class是一个结构体。在iOS中，所有的Class都是以objc_class为模板创建的`
- 其中
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
typedef struct objc_class *Class;
-
在objc4源码中搜索
objc_class的定义，源码中对其的定义有两个版本-
旧版位于runtime.h中，已经被废除 -
新版 位于
objc-runtime-new.h,这个是objc4-781最新优化的，我们后面的类的结构分析也是基于新版来分析的。
从新版的定义中，可以看到objc_class结构体类型是继承自objc_object的，
-
-
在objc4源码中搜索
objc_object (或者 objc_object {,这个类型也有两个版本- 一个位于
objc.h，没有被废除，从编译的main.cpp中可以看到，使用的这个版本的objc_object - 位于
objc-privat.h
- 一个位于
以下是编译后的main.cpp中的objc_object的定义
struct objc_object {
Class _Nonnull isa __attribute__((deprecated));
};
【问题】objc_class 与 objc_object 有什么关系？
通过上述的源码查找以及main.cpp中底层编译源码，有以下几点说明：
-
结构体类型
objc_class继承自objc_object类型，其中objc_object也是一个结构体，且有一个isa属性，所以objc_class也拥有了isa属性 -
mian.cpp底层编译文件中，
NSObject中的isa在底层是由Class定义的，其中class的底层编码来自objc_class类型，所以NSObject也拥有了isa属性 -
NSObject是一个类，用它初始化一个实例对象objc，objc 满足objc_object的特性（即有isa属性），主要是因为isa是由NSObject从objc_class继承过来的，而objc_class继承自objc_object，objc_object有isa属性。所以对象都有一个isa，isa表示指向，来自于当前的objc_object -
objc_object（结构体）是 当前的根对象，所有的对象都有这样一个特性objc_object，即拥有isa属性
【百度面试题】objc_object 与 对象的关系
-
所有的
对象都是以objc_object为模板继承过来的 -
所有的对象 是 来自
NSObject（OC） ，但是真正到底层的 是一个objc_object（C/C++）的结构体类型
【总结】 objc_object 与 对象的关系 是 继承关系
总结
-
所有的
对象+类+元类都有isa属性 -
所有的
对象都是由objc_object继承来的 -
简单概括就是
万物皆对象，万物皆来源于objc_object，有以下两点结论：-
所有以
objc_object为模板 创建的对象，都有isa属性 -
所有以
objc_class为模板，创建的类，都有isa属性
-
-
在结构层面可以通俗的理解为
上层OC与底层的对接：-
下层是通过结构体定义的模板，例如objc_class、objc_object -
上层是通过底层的模板创建的 一些类型，例如CJLPerson
-
objc_class、objc_object、isa、object、NSObject等的整体的关系，如下图所示
类结构分析
主要是分析类信息中存储了哪些内容
补充知识-内存偏移
在分析类结构之前，需要先了解内存偏移，因为类信息中访问时，需要使用内存偏移
【普通指针】
//普通指针
int a = 10; //变量
int b = 10;
NSLog(@"%d -- %p", a, &a);
NSLog(@"%d -- %p", b, &b);
打印结果如下图所示
-
a、b都指向10，但是a、b的
地址不一样，这是一种拷贝，属于值拷贝，也称为浅拷贝 -
a,b的地址之间相差 4 个字节，这取决于a、b的类型
其地址指向如图所示
【对象指针】
//对象
CJLPerson *p1 = [CJLPerson alloc]; // p1 是指针
CJLPerson *p2 = [CJLPerson alloc];
NSLog(@"%d -- %p", p1, &p1);
NSLog(@"%d -- %p", p2, &p2);
打印结果如图所示
-
p1、p2 是指针，
p1是 指向[CJLPerson alloc]创建的空间地址，即内存地址，p2 同理 -
&p1、&p2是
指向 p1、p2对象指针的地址，这个指针 就是二级指针
其指针的指向如下图所示
【数组指针】
//数组指针
int c[4] = {1, 2, 3, 4};
int *d = c;
NSLog(@"%p -- %p - %p", &c, &c[0], &c[1]);
NSLog(@"%p -- %p - %p", d, d+1, d+2);
打印结果如下
-
&c和&c[0]都是取首地址，即数组名等于首地址 -
&c与&c[1]相差4个字节，地址之间相差的字节数，主要取决于存储的数据类型 - 可以通过
首地址+偏移量取出数组中的其他元素，其中偏移量是数组的下标，内存中首地址实际移动的字节数 等于 偏移量 * 数据类型字节数
其指针指向如下所示
探索类信息中都有哪些内容
探索类信息中有什么时，事先我们并不清楚类的结构是什么样的，但是我们可以通过类得到一个首地址，然后通过地址平移去获取里面所有的值
根据前文提及的objc_class 的新版定义（objc4-781版本）如下，有以下几个属性
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA; //8字节
Class superclass; //Class 类型 8字节
cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
//....方法部分省略，未贴出
}
-
isa属性：继承自objc_object的isa，占8字节 -
suoerclass属性：Class类型，Class是由objc_object定义的，是一个指针，占8字节 -
cache属性：简单从类型class_data_bits_t目前无法得知，而class_data_bits_t是一个结构体类型，结构体的内存大小需要根据内部的属性来确定，而结构体指针才是8字节 -
bits属性：只有首地址经过上面3个属性的内存大小总和的平移，才能获取到bits
计算 cache 类的内存大小
进入cache类cache_t的定义（只贴出了结构体中非static修饰的属性，主要是因为static类型的属性 不存在结构体的内存中），有如下几个属性
struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets; // 是一个结构体指针类型，占8字节
explicit_atomic<mask_t> _mask; //是mask_t 类型，而 mask_t 是 unsigned int 的别名，占4字节
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets; //是指针，占8字节
mask_t _mask_unused; //是mask_t 类型，而 mask_t 是 uint32_t 类型定义的别名，占4字节
#if __LP64__
uint16_t _flags; //是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节
#endif
uint16_t _occupied; //是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节
-
计算
前两个属性的内存大小，有以下两种情况，最后的内存大小总和都是12字节-
【情况一】
if流程-
buckets类型是struct bucket_t *，是结构体指针类型，占8字节 -
mask是mask_t类型，而mask_t是unsigned int的别名，占4字节
-
-
【情况二】
elseif流程-
_maskAndBuckets是uintptr_t类型，它是一个指针，占8字节 -
_mask_unused是mask_t类型，而mask_t是uint32_t类型定义的别名，占4字节
-
-
-
_flags是uint16_t类型，uint16_t是unsigned short的别名，占2个字节 -
_occupied是uint16_t类型，uint16_t是unsigned short的别名，占2个字节
总结：所以最后计算出cache类的内存大小 = 12 + 2 + 2 = 16字节
获取bits
所以有上述计算可知，想要获取bits的中的内容，只需通过类的首地址平移32字节即可
以下是通过lldb命令调试的过程
- 获取类的首地址有两种方式
-
通过
p/x CJLPerson.class直接获取首地址 -
通过
x/4gx CJLPerson.class，打印内存信息获取
-
-
其中的
data()获取数据，是由objc_class提供的方法 -
从
$2指针的打印结果中可以看出bits中存储的信息，其类型是class_rw_t，也是一个结构体类型。但我们还是没有看到属性列表、方法列表等，需要继续往下探索
探索 属性列表，即 property_list
通过查看class_rw_t定义的源码法线，结构体中有提供相应的方法去获取 属性列表、方法列表等，如下所示
在获取bits并打印bits信息的基础上，通过class_rw_t提供的方法，继续探索 bits中的属性列表，以下是lldb 探索的过程图示
-
p $8.properties()命令中的propertoes方法是由class_rw_t提供的,方法中返回的实际类型为property_array_t -
由于list的类型是
property_list_t，是一个指针，所以通过p *$10获取内存中的信息，同时也证明bits中存储了property_list，即属性列表 -
p $11.get(1)，想要获取CJLPerson中的成员变量``bobby， 发现会报错，提示数组越界了，说明property_list中只有 一个属性cjl_name
【问题】探索成员变量的存储
由此可得出property_list 中只有属性，没有成员变量，属性与成员变量的区别就是有没有set、get方法，如果有，则是属性，如果没有，则是成员变量。
那么问题来了，成员变量存储在哪里？为什么会有这种情况？请移至文末的分析与探索
探索 方法列表，即methods_list
准备工作：在前文提及的CJLPerson中增加两个方法（实例方法 & 类方法）
//CJLPerson.h
@property (nonatomic, copy) NSString *cjl_name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end
//CJLPerson.m
@implementation CJLPerson
- (void)sayHello
{}
+ (void)sayBye
{}
@end
也是通过lldb调试来获取方法列表，步骤如图所示
-
通过
p $4.methods()获得具体的方法列表的list结构，其中methods也是class_rw_t提供的方法 -
通过打印的
count = 4可知，存储了4个方法,可以通过p $7.get(i)内存偏移的方式获取单个方法,i 的范围是0-3 -
如果在打印
p $7.get(4)，获取第五个方法，也会报错，提示数组越界
【问题】探索类方法的存储
由此可得出methods list 中只有 实例方法，没有类方法，那么问题来了，类方法存储在哪里？为什么会有这种情况？下面我们来仔细分析下
在文章前半部分，我们曾提及了元类，类对象的isa指向就是元类，元类是用来存储类的相关信息的，所以我们猜测：是否类方法存储在元类的bits中呢？可以通过lldb命令来验证我们的猜测。下图是lldb命令的调试流程
通过图中元类方法列表的打印结果，我们可以知道，我们的猜测是正确的，所以可以得出以下结论：
-
类的实例方法存储在类的bits属性中，例如CJLPersong类的实例方法sayHello就存储在CJLPerson类的bits属性中 -
类的类方法存储在元类的bits属性中，例如CJLPerson中的类方法sayBye就存储在CJLPerson类的元类（名称也是CJLPerson）的bits属性中