iOS底层 - 类的结构分析

2020-09-15 本文已影响0人 Lcr111

iOS开发底层探究之路

类的结构分析

类分析初探

首先我们先创建一个类LGPerson，再创建一个继承于LGPerson的子类LcrTeacher。

@interface LGPerson : NSObject
{
    NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *nickName;
@property (nonatomic, strong) NSString *name;
-(void)sayHello;
+(void)say88;
@end
#import "LGPerson.h"
@implementation LGPerson
-(void)sayHello{    
}
+(void)say88{   
}
@end

#import "LGPerson.h"
@interface LcrTeacher : LGPerson
@end
#import "LcrTeacher.h"
@implementation LcrTeacher
@end

在main.m文件中我们创建两个对象：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        //ISA_MASK  0x00007ffffffffff8ULL
        LGPerson *person = [LGPerson alloc];
        LcrTeacher *teacher = [LcrTeacher alloc];
        
        NSLog(@"%@ ----  %@",person,teacher);
    }
    return 0;
}

利用lldb调试我们打印出下面图片中一些信息：

类结构初探

如上图所示，1 、2处的打印结果都为LGPerson，1处是因为person对象的指针指向类，所以当此对象的指针地址&ISA_MASK时，所得到的就是LGPerson类地址，打印即为LGPerson。2 处打印的地址是类的isa&ISA_MASK后得到的元类的信息，那么这个元类到底是什么？

元类

对象的isa指向的是所对应的类的信息，类其实也是一个对象，它的内存信息中保存的位域信息所指向的就是由苹果定义的元类：
1.元类是由系统定义并创建的，这个过程是在编译期间完成的。
2.元类的类对象是类，元类中保存着类的相关类方法信息。
3.元类是没有自己的名字，由于与当前类相关联，所以苹果直接拿当前类名命名元类。

由此，上面的1、2处打印的都为LGPerson就是元类导致的。
通过lldb可以调试元类信息链，即isa走向，对象--->类--->元类--->根元类--->根类（NSObject）:

isa走位图分析

上图可见：

对象的isa指向类。
类的isa指向元类。
元类的isa指向根元类。
根元类的isa指向自己。

著名isa及Superclass走位图

isa流程图.png

结合上面的工程，将我们自定义的类信息放上去，isa及Superclass走向一目了然：

isa走向：
- teacher走位链：teacher（对象） ---> LcrTeacher（类） --->LcrTeacher（元类） --->NSObject（根元类）--->NSObject（自己）。
- person 走位链：person （对象）---> LGPerson（类） ---> LGPerson（元类） --->NSObject（根元类）--->NSObject（自己）。
Superclass走向：
- 类的走向链：Lcrteacher（子类）---> LGPerson（父类） ---> NSObject（根类） --->nil。
- 元类的走向链：LcrTeacher（子类元类） ---> LGPerson（父类元类） ---> NSObject（根元类） ---> NSObject（根类） ---> nil。

objc_object & objc_class

在继续下面类的结构分析之前，我们先来了解objc_object 和 objc_class两个概念，以及它们之间是怎样的关系？

objc_class:
在上篇文章iOS底层 - isa与类关联的原理中，通过clang编译过的main.cpp文件中可以看到类的底层结构：

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};
typedef struct objc_class *Class;

NSObject 被编译成了一个NSObject_IMPL结构体，里面有一个Class类型的isa,类型Class 是由objc_class 定义的。
在源码objc4-781源码中我们搜索objc_class，找到最新源码:

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }
    void setData(class_rw_t *newData) {
        bits.setData(newData);
    }

    void setInfo(uint32_t set) {
        ASSERT(isFuture()  ||  isRealized());
        data()->setFlags(set);
    }

    void clearInfo(uint32_t clear) {
        ASSERT(isFuture()  ||  isRealized());
        data()->clearFlags(clear);
    }
//略
}

从objc_class的源码中看出objc_class 是继承自objc_object的。

objc_object:
查看源码，在objc.h及objc_private.h两个文件中分别能找到objc_object的源码实现：

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:

    // ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
    Class ISA();
 //略
}

那么objc_class和objc_object 以及 NSObject 、对象到底是什么关系？

objc_class 继承自objc_object，所以objc_class中有一个继承过来的isa属性。
通过clang编译的main.cpp 中看出NSObject_IMPL 中有一个Class类型的isa，而Class是由objc_class定义的,而objc_class 又继承自objc_object，所以可知所有以NSObject所创建的对象都有一个isa属性。
即objc_object是一个对象创造的根类，所有对象创建之后都带有objc_object的特性，带有一个isa属性。

总结

所有的对象+类+元类都有isa。
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LGPerson
  可以用下图表示出:
  objc_object & objc_class & isa

类的结构分析

上面分析可知类是以objc_class为模版创建的，那么我们就从objc_class入手研究类底层结构:

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }
//省略下方方法
}

继承于objc_object，默认带有一个isa,大小为8字节。
父类superclass，objc_class定义的一个Class类型的结构体指针，大小也为8字节。
cache 类的缓存信息，结构体cache_t类型，我们在下面会计算cache属性大小。（cache是一个结构体，而不是结构体指针，不能简单地认为大小8字节）
bits 存放类的一些信息，class_data_bits_t 结构体类型，接下来我们就针对这个bits里存放的信息进行一步步探究。

cache大小

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;  //8
    explicit_atomic<mask_t> _mask;    //4
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets; // 8
    mask_t _mask_unused; // 4
//过滤一些静态的，因为静态不计入结构体的大小
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
    // _maskAndBuckets stores the mask shift in the low 4 bits, and
    // the buckets pointer in the remainder of the value. The mask
    // shift is the value where (0xffff >> shift) produces the correct
    // mask. This is equal to 16 - log2(cache_size).
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;

    static constexpr uintptr_t maskBits = 4;
    static constexpr uintptr_t maskMask = (1 << maskBits) - 1;
    static constexpr uintptr_t bucketsMask = ~maskMask;
#else
#error Unknown cache mask storage type.
#endif
    
#if __LP64__
    uint16_t _flags;          //2
#endif
    uint16_t _occupied;   //2
//省略下面的方法,结构体大小只和属性有关
}

有上面代码可得，cache大小为16，所以8 + 8 + 16 ，想获得bts里的信息的话，我们可利用指针偏移32来获取类信息中的bits，这样就可以访问类相关的一些信息了。

lldb调试查看类信息bits

其中data()方法获取信息，是objc_class提供的方法：

class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }

目前已经拿到了bits信息，但是还不够，我们暂时还看不到一些具体的类的信息，所以我们继续往下探索：

bits 查看属性列表 property_list

由于上方获取到的bits是class_rw_t类型结构体，查看class_rw_t 源码，我们可以找到类的一些相关信息：

class_rw_t相关类的信息

可以看到，方法列表methods、属性列表properties、协议列表protocols等类的信息。
既然有这些信息，我们不妨试着去获取它们，并且将它们打印：

bits的属性列表获取
所以，通过点方法.properties()，就可以获取到类的属性列表，再通过p *$6 打印$6里的数据，可以获得property_list_t类型的属性列表，进而打印.get()方法，获取每一个属性。.get()一直获取属性的话，会造成数组越界的结果，因为类的属性个数是固定的，文章头部的LGPerson有两个属性（nickName和name），所以此处只能.get()到这两个属性.

bits 查看属性列表 method_list

@interface LGPerson : NSObject
{
    NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *nickName;
@property (nonatomic, strong) NSString *name;

-(void)sayHello;
+(void)say88;

@end

下面再利用lldb调试，是否也能像属性列表一样方式去查看类的方法列表：

bits获取方法列表

由上图可知，可以利用.methods()获取bits信息中的方法列表,获取到的也是一个method_list_t类型的方法列表信息，然后利用.get()方法一个个获取到方法。LGPerson 共有6个方法，实例方法sayHello，.cxx_destruct，name属性的set和get，nickName属性的set和get。

最后留下两个问题：成员变量hobby在哪里？以及类方法+say88又在哪里？下篇文章我们一一揭晓。

iOS底层 - 类的结构分析

类的结构分析

类分析初探

元类

著名isa及Superclass走位图

objc_object & objc_class

类的结构分析

bits 查看属性列表 property_list

bits 查看属性列表 method_list

猜你喜欢

热点阅读