iOS底层原理之`OC语法`(一.oc对象的本质)

1.oc对象的本质

• 我们平时编写的Objective-C代码，底层实现其实都是C\C++代码。

  
  编译过程

所以Objective-C的面向对象都是基于C\C++的数据结构实现的。如果我们想将研究其底层就要先转换为C/C++文件。

• 将Objective-C代码转换为C\C++代码
  1. 打开终端，cd到你所要转成C/C++语言文件的目录里；
  2. ls/ls-l 列举查看一下文件夹下是否有对应的OC文件；
  3. clang -rewrite-objc OC源文件 -o 输出的CPP文件(编译器重写oc文件并输出c++文件),如下:

hejundeMBP:~ hejun$ cd /Users/hejun/Desktop/OC本质/OC本质 
hejundeMBP:OC本质 hejun$ ls
main.m
hejundeMBP:OC本质 hejun$ clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

这样就会在该文件夹下生成一个c++文件，但是这样生成的文件太大，因为编译器转化代码要看什么平台，没有直达平台架构所以生成文件包含了所有的架构下的代码，所以一般不这么转化。
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc OC源文件 -o 输出的CPP文件(Xcode指定是iphoneos然后编译器告诉是arm64架构下重写oc文件并输出c++文件)如下：

hejundeMBP:~ hejun$ cd /Users/hejun/Desktop/OC本质/OC本质 
hejundeMBP:OC本质 hejun$ ls
hejundeMBP:OC本质 hejun$ xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main_arm64.cpp
hejundeMBP:OC本质 hejun$ 

这样生成的文件就小很多了

生成C++文件

如果需要链接其他框架，使用-framework参数。(比如-framework UIKit)。

为何不在不生成c文件而生成c++文件，因为生存的c++文件里面包含c，并且c++是支持c的。

不同平台支持的代码肯定是不一样,模拟器(i386)、32bit(armv7)、64bit（arm64）。

• Objective-C的对象、类主要是基于C\C++的什么数据结构实现的？

进入NSObject头文件可以看到，里面有一个Class类型的isa成员变量,点击进Class可以发现其是一个指向结构体的指针,在main函数中创建一个NSObject转成C++代码里面会生存一个NSObject_IMPL（NSObject_implementation即NSObject的底层实现）结构体。

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};。

底层结构

• 自定义一个Student类继承NSObject,添加_no,_age属性,分析一下结构和所占内存打小。示例如下：

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
#import "malloc/malloc.h"

struct Student_IMPL {
    Class isa;
    int _no;
    int _age;
};
@interface Student : NSObject{
@public
    int _no;
    int _age;
}
@end
@implementation Student
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Student *stu = [[Student alloc] init];
        stu->_no = 10;
        stu->_age = 10;
        //获得类的实例对象大小
        NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([Student class]));
        //获得stu指针所指向的内存大小
        NSLog(@"%zd", malloc_size((__bridge const void *)stu));
        //因为Student_IMPL结构体和Student结构一样，将stu的对象强转为指向Student_IMPL结构体的指针
        struct Student_IMPL *stuImpl = (__bridge struct Student_IMPL *)stu;
        //通过结构体指针访问结构体变量
        NSLog(@"no is %d, age is %d", stuImpl->_no, stuImpl->_age);
    }
    return 0;
}

打断点分析内存(方法:Debug -> Debug Workfllow -> View Memory （Shift + Command + M）然后将对象指针地址输入Address输入框)：

分析内存

结果可见：内存占了16个字节，前面8为是是isa指针所占内存，后8为中的两个OA则是no和age的值为10(注意Mac是高位向地位寻址。
打印结果如下：

打印内存.png

结果可见确实是占了16个字节（8+4+4），但是如果打印NSObject则class_getInstanceSize获得的是8位，malloc_size是16位，因为前者是获得类的实例对象大小只有一个指针所以是8位，后者是获得指针指向的内存大小，苹果归档如何小于16位则是16位，所以最少是16位（具体可以去看源码，这里不再一一列举）。
具体分析示意图如下：

底层实现.png
底层实现.png

所以Objective-C的对象、类主要是基于C\C++的结构体实现的。

2.instance、class、meta-class.

• OC对象的分类:instance对象（实例对象）、class对象（类对象）、meta-class对象（元类对象）。

---

• instance对象就是通过类alloc出来的对象，每次调用alloc都会产生新的instance对象。
• instance对象在内存中存储的信息包括:

1. qq isa指针、
2. 其他成员变量。

• 同一个类alloc出两个实例对象是两个不同的对象分别占用两块内存：
  instance.png

---

• 每个类在内存中有且只有一个class对象
• class对象在内存中存储的信息主要包括:
  1. isa指针
  2. superclass指针
  3. 类的属性信息（@property）、类的对象方法信息（instance method）

4. 类的协议信息（protocol）、类的成员变量信息（ivar）

   
   meta-class.png

---

• objectMetaClass是NSObject的meta-class对象（元类对象),每个类在内存中有且只有一个meta-class对象

• 获取元类方法Class object_getClass(id obj)传入类名时获取元类,runtimeApi。

• meta-class对象和class对象的内存结构是一样的，但是用途不一样，在内存中存储的信息主要包括:

  1. isa指针
  2. superclass指针

  3. 类的类方法信息（class method）

     
     metaclass.png

• 注意：runtime有两个获取类的方法Class objc_getClass(const char *aClassName)、 Class object_getClass(id obj),前者传入字符串类名返回返回对应的类对象；后者传入的obj可能是instance对象、class对象、meta-class对象，如果是instance对象，返回class对象、如果是class对象，返回meta-class对象,如果是meta-class对象，返回NSObject（基类）的meta-class对象。

• 判断是否元类方函数：BOOL class_isMetaClass(Class cls)。

3.isa、superclass.

• isa

  1. instance的isa指向class，当调用对象方法时，通过instance的isa找到class，最后找到对象方法的实现进行调用。
  2. class的isa指向meta-class，当调用类方法时，通过class的isa找到meta-class，最后找到类方法的实现进行调用
     isa.png

• superclass:当子类的instance对象要调用父类的对象方法时，会先通过isa找到子类的class，然后通过superclass找到父类的class，最后找到对象方法的实现进行调用。
  

  superclass.png

• meta-class对象的superclass指针:当子类的class要调用父类的类方法时，会先通过isa找到子类的meta-class，然后通过superclass找到父类的meta-class，最后找到类方法的实现进行调用（注意如果直到基类的meta-class也找不该方法就会去基类中去找同名的对象方法，找到了就会调用，找不到就报该类找不到此方法的错误）
  

  meta-class的superclass.png

• isa、uperclass总结

---

• instance的isa指向class
• class的isa指向meta-class
• meta-class的isa指向基类的meta-class
• class的superclass指向父类的class
• 如果没有父类，superclass指针为nil

---

• meta-class的superclass指向父类的meta-class
• 基类的meta-class的superclass指向基类的class

---

• instance调用对象方法的轨迹

• isa找到class，方法不存在，就通过superclass找父类class

• class调用类方法的轨迹

• isa找meta-class，方法不存在，就通过superclass找父类meta-class,如果找到基类的meta-class还没有找到就去找基类的class，示意图如下：

  
  oc方法调用流程.png

• class、meta-class对象的本质结构都是struct objc_class
  

  oc类对象的本质.png

4.面试题

1.一个NSObject对象占用多少内存？

系统分配了16个字节给NSObject对象（通过malloc_size 函数获得)
但NSObject对象内部只使用了8个字节的空间（64bit环境下，可以通过class_getInstanceSize函数获得）

2.对象的isa指针指向哪里？

instance对象的isa指向class对象
class对象的isa指向meta-class对象
meta-class对象的isa指向基类的meta-class对象

3.OC的类信息存放在哪里？

成员变量的具体值，存放在instance对象
对象方法、属性、成员变量、协议信息，存放在class对象中
类方法，存放在meta-class对象中