对象&类&元类（Object & Class & Meta Class）

程序员文章站 2022-05-13 20:00:39

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作为C语言的超集，面向对象成为Objective-C与C语言的最大区别，因此，对象是Objective-C中最重要的部分之一。目前面向对象的语言有很多，Objective-C中的对象又和其他语言中的对象有什么区别呢？下面来简单介绍Objective-C中对象的实现。
1、Objective-C中的类

谁都知道，所有的对象都是由其对应的类实例化而来，殊不知类本身也是一种对象，先不要对这句话感到惊讶。
首先我们来关注Objective-C中的类。在Objective-C中，我们用到的几乎所有类都是NSObject类的子类，NSObject类定义格式如下（忽略其方法声明）：
@interface NSObject <NSObject> {
Class isa;
}
这个Class为何物？在objc.h中我们发现其仅仅是一个结构(struct)指针的typedef定义:
typedef struct objc_class *Class;
同样的，objc_class又是什么呢？在Objective-C2.0中，objc_class的定义如下：
struct objc_class {
Class isa;
}
写到这里大家可能就晕了，怎么又有一个isa？？这些isa到底是什么？之间有什么区别和联系？接下来解答这一连串的疑问。
其实在Objective-C中任何的类定义都是对象。即在程序启动的时候任何类定义都对应于一块内存。在编译的时候，编译器会给每一个类生成一个且只生成一个”描述其定义的对象”,也就是苹果公司说的类对象(class object),他是一个单例(singleton), 而我们在C++等语言中所谓的对象，叫做实例对象(instance object)。对于实例对象我们不难理解，但类对象(class object)是干什么吃的呢？我们知道Objective-C是门很动态的语言，因此程序里的所有实例对象(instace object)都是在运行时由Objective-C的运行时库生成的，而这个类对象(class object)就是运行时库用来创建实例对象(instance object)的依据。
再回到之前的问题，肿么这个实例对象(instance object)的isa指针指向的类对象(class object)里面还有一个isa呢？这个类对象(class objec)的isa指向的依然是一个objc-class，它就是“元类对象”(metaclass object)，它和类对象(class object)的关系是这样的:

2、类对象（class object）
①类对象的实质
我们知道了：类对象是由编译器创建的，即在编译时所谓的类，就是指类对象（官方文档中是这样说的： The class object is the compiled version of the class）。任何直接或间接继承了NSObject的类，它的实例对象(instance objec)中都有一个isa指针，指向它的类对象(class object)。这个类对象(class object)中存储了关于这个实例对象(instace object)所属的类的定义的一切：包括变量，方法，遵守的协议等等。因此，类对象能访问所有关于这个类的信息，利用这些信息可以产生一个新的实例，但是类对象不能访问任何实例对象的内容。
当你调用一个 “类方法” 例如 [NSObject alloc],你事实上是发送了一个消息给他的类对象。

②类对象和实例对象的区别
当然有区别了，尽管类对象保留了一个类实例的原型，但它并不是实例本身。它没有自己的实例变量，也不能执行那些类的实例的方法（只有实例对象才可以执行实例方法）。然而，类的定义能包含那些特意为类对象准备的方法–类方法（而不是的实例方法）。类对象从父类那里继承类方法，就像实例从父类那里继承实例方法一样。
③类对象与类名
在源代码中，类对象由类名表示。
在下面的例子中，Retangle类用从NSObject那里继承来的方法来返回类的版本号：
int versionNumber = [Rectangle version];
只有在消息表达式中作为接收者，类名才代表类对象。其他地方，你需要要求一个实例或者类返回class id。响应class消息：
id aClass = [anObject class];
id rectClass = [Rectangle class];
如同上面的例子显示的那样，类对象像其他对象一样，也是id类型。

总之，类对象是一个功能完整的对象，所以也能被动态识别（dynamically typed），接收消息，从其他类继承方法。特殊之处在于它们是由编译器创建的，缺少它们自己的数据结构(实例变量），只是在运行时产生实例的代理。

3、元类对象(metaclass object)
①元类对象的实质
实际上，类对象是元类对象的一个实例！！元类描述了一个类对象，就像类对象描述了普通对象一样。不同的是元类的方法列表是类方法的集合，由类对象的选择器来响应。当向一个类发送消息时，objc_msgSend会通过类对象的isa指针定位到元类，并检查元类的方法列表（包括父类）来决定调用哪个方法。元类代替了类对象描述了类方法，就像类对象代替了实例对象描述了实例化方法。
很显然，元类也是对象，也应该是其他类的实例，实际上元类是根元类(root class’s metaclass)的实例,而根元类是其自身的实例，即根元类的isa指针指向自身。
类的super_class指向其父类，而元类的super_class则指向父类的元类。元类的super class链与类的super class链平行，所以类方法的继承与实例方法的继承也是并行的。而根元类(root class’s metaclass)的super_class指向根类(root class)，这样，整个指针链就链接起来了！！

记住，当一个消息发送给任何一个对象，方法的检查从对象的 isa 指针开始，然后是父类。实例方法在类中定义，类方法在元类和根类中定义。（根类的元类就是根类自己）。在一些计算机语言的原理中，一个类和元类层次结构可以更*的组成，更深元类链和从单一的元类继承的更多的实例化的类。Objective-C 的类方法是使用元类的根本原因，在其他方面试图在隐藏元类。例如 [NSObject class] 完全相等于 [NSObject self]，所以，在形式上他还是返回的 NSObject->isa 指向的元类。 Objective-C语言是一组实用的折中方案。

还有些不明白？下面这个图标可能会有些帮助：

对象&类&元类（Object & Class & Meta Class）

综上所述，类对象(class object)中包含了类的实例变量，实例方法的定义，而元类对象(metaclass object)中包括了类的类方法(也就是C++中的静态方法)的定义。类对象和元类对象中当然还会包含一些其它的东西，苹果以后也可能添加其它的内容，但对于我们只需要记住：类对象存的是关于实例对象的信息(变量，实例方法等)，而元类对象(metaclass object)中存储的是关于类的信息(类的版本，名字，类方法等)。要注意的是，类对象(class object)和元类对象(metaclass object)的定义都是objc_class结构，其不同仅仅是在用途上，比如其中的方法列表在类对象(instance object)中保存的是实例方法(instance method)，而在元类对象(metaclass object)中则保存的是类方法(class method)。关于元类对象可以参考苹果官方文档" The Objective-‐C Programming Language "

4、类对象和元类对象的相关方法

①object_getClass跟随实例的isa指针，返回此实例所属的类，对于实例对象(instance)返回的是类(class),对于类(class)则返回的是元类(metaclass),
②-class方法对于实例对象(instance)会返回类(class),但对于类(class)则不会返回元类(metaclass),而只会返回类本身，即[@"instance" class]返回的是__NSCFConstantString,而[NSString class]返回的是NSString。
③class_isMetaClass可判断某类是否为元类.

④使用objc_allocateClassPair可在运行时创建新的类与元类对，使用class_addMethod和class_addIvar可向类中增加方法和实例变量，最后使用objc_registerClassPair注册后，就可以使用此类了。看到动态语言牛逼的地方了吗，可以在需要时更改已经定义好的类！Objective-C的类别方法估计底层就是这么实现的，只是不知道为什么类别不能增加实例变量，有高手请留言。

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习题内容

下面代码的运行结果是?

@interface Sark : NSObject
@end

@implementation Sark
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        BOOL res1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];
        BOOL res2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];

        BOOL res3 = [(id)[Sark class] isKindOfClass:[Sark class]];
        BOOL res4 = [(id)[Sark class] isMemberOfClass:[Sark class]];

        NSLog(@"%d %d %d %d", res1, res2, res3, res4);
    }
    return 0;
}

运行结果为：

2014-11-05 14:45:08.474 Test[9412:721945] 1 0 0 0

这里先看几个概念

什么是 id

id 在 objc.h 中定义如下:

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

就像注释中所说的这样 id 是指向一个 objc_object 结构体的指针。

id 这个struct的定义本身就带了一个 *, 所以我们在使用其他NSObject类型的实例时需要在前面加上 *，而使用 id 时却不用。

那么objc_object又是什么呢

objc_object 在 objc.h 中定义如下:

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class isa;
};

这个时候我们知道Objective-C中的object在最后会被转换成C的结构体，而在这个struct中有一个 isa 指针，指向它的类别 Class。

那么什么是Class呢

在 objc.h 中定义如下:

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

我们可以看到 Class本身指向的也是一个C的struct objc_class。

继续看在runtime.h中objc_class定义如下:

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
    #if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
    #endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

该结构体中，isa 指向所属Class， super_class指向父类别。

继续看

下载objc源代码，在 objc-runtime-new.h 中，我们发现 objc_class有如下定义:

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;   
    ...
    ...
}

豁然开朗，我们看到在Objective-C的设计哲学中，一切都是对象。Class在设计中本身也是一个对象。而这个Class对象的对应的类，我们叫它 Meta Class。即Class结构体中的 isa 指向的就是它的 Meta Class。//struct objc_class : objc_object

Meta Class

根据上面的描述，我们可以把Meta Class理解为 一个Class对象的Class。简单的说：

当我们发送一个消息给一个NSObject对象时，这条消息会在对象的类的方法列表里查找
当我们发送一个消息给一个类时，这条消息会在类的Meta Class的方法列表里查找

而 Meta Class本身也是一个Class，它跟其他Class一样也有自己的 isa 和 super_class 指针。看下图：

对象&类&元类（Object & Class & Meta Class）

每个Class都有一个isa指针指向一个唯一的Meta Class
每一个Meta Class的isa指针都指向最上层的Meta Class（图中的NSObject的Meta Class）
最上层的Meta Class的isa指针指向自己，形成一个回路
每一个Meta Class的super class指针指向它原本Class的 Super Class的Meta Class。但是最上层的Meta Class的 Super Class指向NSObject Class本身
最上层的NSObject Class的super class指向 nil

解惑

为了更加清楚的知道整个函数调用过程，我们使用clang -rewrite-objc main.m重写，可获得如下代码：

 BOOL res1 = ((BOOL (*)(id, SEL, Class))(void *)objc_msgSend)((id)((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class")), sel_registerName("isKindOfClass:"), ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class")));

 BOOL res2 = ((BOOL (*)(id, SEL, Class))(void *)objc_msgSend)((id)((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class")), sel_registerName("isMemberOfClass:"), ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class")));

 BOOL res3 = ((BOOL (*)(id, SEL, Class))(void *)objc_msgSend)((id)((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Sark"), sel_registerName("class")), sel_registerName("isMemberOfClass:"), ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class")));

 BOOL res4 = ((BOOL (*)(id, SEL, Class))(void *)objc_msgSend)((id)((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("Sark"), sel_registerName("class")), sel_registerName("isMemberOfClass:"), ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class")));

先看前两个调用：

最外层是 objc_msgSend函数，转发消息。
函数第一个参数是 (id)((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class"))
函数第二个参数是转发的selector
函数第三个参数是 ((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("NSObject"), sel_registerName("class"))

我们注意到第一个参数和第三个参数对应重写的是[NSObject class]，即使用objc_msgSend向 NSObject Class 发送 @selector(class) 这个消息

打开objc源代码，在 Object.mm 中发现+ (Class)class实现如下:

+ (Class)class {
    return self;
}

所以即返回Class类的对象本身。看如下输出:

NSLog(@"%p", [NSObject class]);
NSLog(@"%p", [NSObject class]);

2014-11-05 18:48:30.939 Test[11682:865988] 0x7fff768d40f0
2014-11-05 18:48:30.940 Test[11682:865988] 0x7fff768d40f0

继续打开objc源代码，在 Object.mm 中，我们发现 isKindOfClass的实现如下:

- (BOOL)isKindOf:aClass
{
    Class cls;
    for (cls = isa; cls; cls = cls->superclass) 
        if (cls == (Class)aClass)
            return YES;
    return NO;
}

对着上面Meta Class的图和实现，我们可以看出

当 NSObject Class对象第一次进行比较时，得到它的isa为 NSObject的Meta Class，这个时候 NSObject Meta Class 和 NSObject Class不相等。
然后取NSObject 的Meta Class 的Super class，这个时候又变成了 NSObject Class，所以返回相等

所以上述第一个输出结果是 YES 。

我们在看下 ‘isMemberOfClass’的实现:

- (BOOL)isMemberOf:aClass
{
    return isa == (Class)aClass;
}

综上所述，当前的 isa 指向 NSObject 的 Meta Class，所以和 NSObject Class不相等。

所以上述第二个输出结果为 NO 。

继续看后面两个调用:

Sark Class 的isa指向的是 Sark的Meta Class，和Sark Class不相等
Sark Meta Class的super class 指向的是 NSObject Meta Class，和 Sark Class不相等
NSObject Meta Class的 super class 指向 NSObject Class，和 Sark Class 不相等
NSObject Class 的super class 指向 nil，和 Sark Class不相等

所以后面两个调用的结果都输出为 NO 。

thx：

http://blog.csdn.net/wzzvictory/article/details/8592492

http://chun.tips/blog/2014/11/05/bao-gen-wen-di-objective%5Bnil%5Dc-runtime-(2)%5Bnil%5D-object-and-class-and-meta-class/

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对象&类&元类（Object & Class & Meta Class）

习题内容

这里先看几个概念

什么是 id

那么objc_object又是什么呢

那么什么是Class呢

继续看

Meta Class

解惑

先看前两个调用：

继续看后面两个调用:

PHP Class&Object -- PHP 自排序二叉树的深入解析