类 的分析

类的分析主要是分析isa的走向以及继承关系

1. 首先定义两个类，一个HLPerson继承自NSObject，另一个HLTeacher继承自HLPerson

@interface HLPerson : NSObject
{
    NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *hl_name;
- (void)sayInstance;
+ (void)sayClass;
@end

@implementation HLPerson
- (void)sayInstance {
}
+ (void)sayClass {
}
@end

@interface HLTeacher : HLPerson
@end

@implementation HLTeacher
@end

2. 在main中创建一个对象person，并打上断点
   image.png
3. 通过lldb调试，打印相关信息 image.png
   通过上面打印，我们可以看到po 0x00000001000080c0和po 0x000000010034c0f0打印出来的信息都是HLPerson，这两个HLPerson是一样的吗？还是在内存中有两个HLPerson呢？
   其实这两个HLPerson并不是同一个类，一个是HLPerson类，还一个是HLPerson元类

元类的定义

• 实例对象的isa是指向类，类其实也是一个对象，称为类对象，其isa的位域指向的就是元类
• 元类是系统定义创建的，其定义和创建都是由编译器完成，类归属于元类
• 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等相关信息
• 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命令来探索元类的归属，也就是isa的走位，如下图所示，可以得出一个关系链：
实例对象 --> 类对象 --> 元类 --> 根元类（NSObject），NSObject的isa指向自身

image.png

类在内存中存在几份

image.png 通过对象person的isa获取到的类信息地址与HLPerson.class获取到的地址是相同的，这意味一个类在内存中不会存在多份，这个结论是否正确呢？我们来验证一下：

    Class class1 = [HLPerson class];
    Class class2 = [HLPerson alloc].class;
    Class class3 = object_getClass([HLPerson alloc]);
    NSLog(@"\n%p \n%p \n%p", class1, class2, class3);

运行打印 image.png

三种获取类对象打印地址相同，所以类在内存中只有一份

isa走位与继承关系图

isa流程图.png

isa走位

• 实例对象（Instance of Subclass）的isa指向类对象（class）
• 类对象（class）的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，形成闭环

superclass继承关系

• 实例对象之间没有继承关系
• 类对象之间的继承关系：
  • 类（subClass）继承自父类（superClass）
    ...
  • 父类（superClass）继承自根类（RootClass），这里根类是NSObject
  • 根类继承自nil，所以根类即NSObject可以理解为类的根源，即无中生有
• 元类之间的继承关系：
  • 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

举例说明
创建三个实例对象

NSObject *objc = [NSObject alloc];
HLPerson *person = [HLPerson alloc];
HLTeacher *teacher = [HLTeacher alloc];

image.png

• isa 走位链
  • teacher的isa走位链：teacher(子类对象) --> HLTeacher(子类) --> HLTeacher(子元类) --> NSObject(根元类) --> NSObject(根元类，即自己)
  • person的isa走位链：person(父类对象) --> HLPerson(父类) --> HLPerson(父元类) --> NSObject(根元类) --> NSObject(根元类，即自己)
• superclass继承链
  • 类的继承关系链：HLTeacher(子类) --> HLPerson(父类) --> NSObject(根类) --> nil
  • 元类的继承关系链：HLTeacher(子元类) --> HLPerson(父元类) --> NSObject(根元类) --> NSObject(根类) --> nil

对象的本质

在上一篇文章OC底层原理05 - 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
  • Class是isa指针的类型，是由objc_class定义的
  • objc_class是一个结构体。

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

typedef struct objc_class *Class;

• 在objc4源码中搜索objc_class的定义，在objc-runtime-new.h中找到最新的定义 image.png 通过源码可以看出objc_class其实就是继承自objc_object
• 在objc4源码中搜索objc_object image.png

objc_class 与 objc_object 的关系

• 结构体objc_class继承自objc_object，其中objc_object也是一个结构体，且有一个属性isa，所以objc_class也拥有了属性isa
• 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，所以NSObject也拥有了属性isa
• NSObject是一个类，用它初始化一个实例对象objc，objc也有一个isa属性，该isa是由NSObject从objc_class继承过来的，而objc_class的isa继承自objc_object。所以对象都有一个isa，isa表示指向，来自于当前的objc_object

objc_object 与 对象的关系

• 所有的对象是继承NSObject（OC），但其真正到底层的是objc_object（C/C++）的结构体类型
• 所有的对象都是以objc_object为模板继承过来的
  【总结】objc_object与对象是继承关系

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
• 简单来说即万物皆对象，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HLPerson

objc_class、objc_object、isa、object、NSObject等的整体的关系，如下图所示

image.png

类结构的分析

探索类信息的结构，事先我们并不清楚类的结构是什么样的，但是我们可以获取类的首地址，然后通过地址平移去获取里面所有的值
前面我们已经在objc4找到objc_class源码

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
}

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

• isa属性：继承自objc_object的isa，是一个地址指针，占8字节
• superclass属性：Class类型，Class是由objc_object定义的，也是一个指针，占8字节
• cache属性：cache_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
• bits属性：首地址平移上面3个属性的内存大小总和，就可以获取到bits

计算 cache 类的内存大小

进入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;        // 一个结构体指针类型，占8字节
    explicit_atomic<mask_t> _mask;                      // mask_t 类型，mask_t 即 unsigned int，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;                               // mask_t 类型，mask_t 即 uint32_t，占4字节
    
#if __LP64__
    uint16_t _flags;       // uint16_t类型，uint16_t 即 unsigned short，占 2个字节
#endif
    uint16_t _occupied;    // uint16_t类型，uint16_t 即 unsigned short，占 2个字节
};

所以最后计算出cache类的内存大小为8 + 4 + 2 + 2 = 16字节

获取bits

objc_class中前三个属性的大小为：8 + 8 + 16 = 32字节，所以想获取bits中的信息可以通过首地址偏移32字节获得，以下是通过lldb命令调试的过程

image.png

• 其中的data()获取数据，是由objc_class提供的方法 image.png

获取属性列表

通过查看class_rw_t定义的源码发现，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

image.png 继续lldb调试 image.png

• p $3.properties()命令中的properties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 *$5获取内存中的信息，证明bits中存储了 property_list，即属性列表
• p $11.get(1)，想要获取HLPerson中的成员变量bobby，打印报错，提示数组越界了，说明property_list中只有 一个属性hl_name

成员变量的存储

成员变量：在{ }中所声明的变量都是成员变量(实例变量是一种特殊的成员变量)
实例变量：成员变量的一种，由类声明的对象
属性：@property修饰，编译器会自动生成带下划线的成员变量以及setter和getter方法
从上面可得看出property_list中只有属性，没有成员变量，在class_rw_t结构体中有个ro()可以获取成员变量

image.png 通过lldb调试来查找成员变量 image.png

【总结】

• 通过@property定义的属性，存储在bits属性中，通过bits --> data() -->properties() --> list获取属性列表，其中只包含属性
• 通过{}定义的成员变量，也会存储在bits属性中，通过bits --> data() -->ro() --> ivars获取成员变量列表，除了包括成员变量，还包括属性生成的带下划线的成员变量

获取方法列表

通过lldb调试来查找方法列表 image.png

• 通过 p $3.methods()获得具体的方法列表的list，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 $11.get(i)内存偏移的方式获取单个方法，i的范围是0-3

类方法的存储

在methods list中并没有找到类方法， 那类方法存储在哪里？下面我们来分析下：
前面有分析元类，元类是用来存储类的相关信息的，我们大胆猜测一下：类方法存储在元类的bits中呢？通过lldb命令来验证我们的猜测：

image.png 完美证明，类方法存储在元类中。

【总结】

• 类的实例方法存储在类的bits属性中，通过bits --> methods() --> list获取实例方法列表；
• 类的类方法存储在元类的bits属性中，通过元类bits --> methods() --> list获取类方法列表。

类的结构功能

名称	类型	功能
isa	指针	指向元类
superclass	指针	指向当前类的父类
cache	结构体	用于缓存方法的，用于加速方法的调用
bits	结构体	存储类的方法、属性、协议等信息的地方