iOS-面试题1-NSObject本质

2020-09-18  本文已影响0人  Imkata

目录：

  1. NSObject本质
  2. OC对象的分类
  3. isa指针和superclass指针+窥探Class
  4. KVO和KVC
  5. Category分类
  6. load和initialize方法
  7. 关联对象
  8. block原理

一. NSObject本质

  1. Objective-C的对象、类主要是基于C\C++的什么数据结构实现的？
    Objective-C的对象、类主要是基于C\C++的结构体实现的，其内部只有一个isa指针，点进入Class，发现isa其实就是一个指向结构体的指针，既然是指针，指针在64位系统占8个字节，在32位系统占4字节。

  2. 两个获取内存大小的函数
    ① size_t class_getInstanceSize(Class _Nullable cls)
    获取实例对象的成员变量所占用内存大小（内存对齐后的）-> 其实就是实例对象至少占用的内存大小。
    sizeof同上，返回的是传入类型至少占用的内存大小，sizeof是个运算符。
    ② size_t malloc_size(const void *ptr)
    获取指针所指向内存的大小 -> 其实就是实例对象实际占用的内存大小。

  3. 一个NSObject对象占用多少内存？
    首先我们要知道指针占用8字节，int类型数据占用4字节。
    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)。

  4. 对于一个NSObject对象，为什么我们需要8字节，系统却给我们分配16字节呢?
    OC对象至少占用16个字节，可查看源码验证，这是系统的硬性规定。
    分析对象内存的时候不要忘记结构体内存对齐（结构体的大小必须是最大成员大小的倍数，一般是8）和iOS内存对齐（对象内存大小必须是16的倍数）

博客地址：iOS-底层-NSObject本质

二. OC对象的分类

  1. OC对象分为几种？
    Objective-C中的对象，简称OC对象，主要可以分为3种：
    instance对象（实例对象）、class对象（类对象）、meta-class对象（元类对象）

  2. 关于instance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，分别占据着两块不同的内存，instance对象在内存中存储的信息包括：

isa指针和其他成员变量。

  1. 关于class对象
    每个类在内存中有且只有一个class对象，获取class对象的三种方式：

Class objectClass1 = [object1 class]; //对象的class方法
Class objectClass2 = [NSObject class]; //类的class方法
Class objectClass3 = object_getClass(object1); //传入对象

class对象在内存中存储的信息主要包括：

isa指针
superclass指针
类的属性信息（@property）
类的成员变量信息（ivar）
类的协议信息（protocol）

类的对象方法信息（instance method）
......

  1. 关于meta-class对象
    每个类在内存中有且只有一个meta-class对象，获取meta-class对象只有一种方法：
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);//传入一个class对象

将类对象当做参数传入object_getClass，获得元类对象。类对象和元类对象都是Class类型的。

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：

isa指针
superclass指针
类的类方法信息（class method）
......

  1. object_getClass的底层实现
Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

可以发现，返回的是isa，所以：
如果传进来的是instance对象，返回class类对象
如果传进来的是class类对象，返回metra-class元类对象
如果传进来的是metra-class对象，返回NSObject（基类）的metra-class对象

  1. - (Class)class、+ (Class)class的底层实现
 - (Class) {
     return self->isa;
 }
//如果是对象方法,返回isa就返回了当前的类对象

 + (Class) {
     return self;
 }
//如果是类方法,返回自己就是类对象

综上，这两个class方法返回的就是类对象。

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三. isa指针和superclass指针+窥探Class

  1. isa指针和superclass指针的作用
isa和superclass.png

关于isa指针：
① instance的isa指向class
② class的isa指向meta-class
③ meta-class的isa指向基类(NSObject)的meta-class
④ 基类(NSObject)的meta-class的isa指向它自己

关于superclass指针：
① class的superclass指向父类的class
② 如果没有父类，superclass指针为nil，(最后一直找不到方法会报错:unrecognized selector sent to instance/class)
③ meta-class的superclass指向父类的meta-class
④ 基类的meta-class的superclass指向基类的class

  1. 方法调用轨迹

① instance实例对象调用对象方法的轨迹：实例对象的isa找到class，方法不存在，就通过superclass找父类。
② class类对象调用类方法的轨迹：
类对象的isa找meta-class，方法不存在，就通过superclass找父类。

可以发现，不管是类对象还是实例对象，调用流程都是：
isa -> superclass -> suerpclass -> superclass -> .... superclass -> nil

  1. 窥探Class结构
窥探struct objc_class的结构.png

现在我们明白了，无论是类对象还是元类对象，他们在内存中的结构都是objc_class这种结构体类型的，但是他们存储的信息不一样，比如对于元类对象，只有isa、superclass、类方法有值，其他的都是空。

  1. OC的类信息存放在哪里？
    ① 属性、成员变量、协议、对象方法，存放在class对象中
    ② 类方法，存放在meta-class对象中
    ③ 成员变量的具体值，存放在instance对象中

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四. KVO和KVC

  1. 给person添加监听
使用KVO.png

① 使用KVO，系统会使用Runtime动态创建的一个NSKVONotifying_MJPerson类，这个类是MJPerson的子类。
② 添加监听的属性的值改变的时候，会调用NSKVONotifying_MJPerson类的setAge方法，setAge方法里面会调用_NSSetIntValueAndNotify方法，_NSSetIntValueAndNotify里面走如下步骤：
willChangeValueForKey 将要改变
setAge(原来的set方法) 真的去改变
didChangeValueForKey 已经改变
observeValueForKeyPath:ofObject:change:context: 监听到MJPerson的age属性改变了

  1. NSKVONotifying_MJPerson类对象的isa指向哪里？
    NSKVONotifying_MJPerson是MJPerson的子类，所以NSKVONotifying_MJPerson类对象的isa也是指向它自己的元类对象。

  2. 为什么重写class、dealloc、isKVO方法？
    在上图中我们可以看出，创建NSKVONotifying_MJPerson之后会重写setAge、class、dealloc、isKVO 这四个方法，setAge方法我们知道为什么重写，但是为什么要重写后面三个方法呢？
    因为NSKVONotifying_MJPerson是内部创建的，不想让用户看到，所以用户调用class方法要把NSKVONotifying_MJPerson转成MJPerson，所以系统才重写了class方法。使用object_getClass函数（RuntimeAPI）获取的就是真实的，不会被转成MJPerson。

  3. 如何手动触发KVO？(就算没有人修改age值，也想触发监听方法observeValueForKeyPath)
    手动调用willChangeValueForKey:和didChangeValueForKey:方法。

  4. 直接修改成员变量会触发KVO吗？
    不会触发KVO，因为没调用重写后的set方法。

  5. 通过KVC给属性赋值会触发KVO吗？为什么？
    会，其实KVC内部调用了下面方法才会触发KVO的：

[person willChangeValueForKey:@"age"];
person->_age = 10;
[person didChangeValueForKey:@"age"];
  1. KVC设值原理
设值原理.png
  1. KVC取值原理
取值原理.png

博客地址：iOS-底层-KVO和KVC

五. Category分类

  1. Category的使用场合是什么？
    主要是给一些类添加新的方法，或者拆分类。

  2. 分类的底层结构是什么？
    分类的底层结构是_category_t结构体：

struct _category_t {
    const char *name; //名称
    struct _class_t *cls;
    const struct _method_list_t *instance_methods; //对象方法
    const struct _method_list_t *class_methods; //类方法
    const struct _protocol_list_t *protocols; //协议
    const struct _prop_list_t *properties; //属性
};

所以分类的功能我们也知道了，分类可以添加属性、协议、对象方法、类方法。

  1. Category的实现原理是什么？
    ① 编译完成之后，分类里的所有东西都在category_t结构体中，暂时和类是分开的
    ② 运行的时候，通过Runtime加载某个类的所有Category数据
    ③ 把所有Category的属性、协议、方法数据，合并到一个大数组中，后面参与编译的Category数据，会在数组的前面
    ④ 将合并后的分类数据（属性、协议、方法），插入到类原来数据的前面

  2. Category和类扩展有什么区别呢？
    类扩展就是在类的.m里面添加一些属性，成员变量，方法声明。其实类扩展就是相当于将原来写在.h文件里面的东西剪掉放到.m里面，把原来公开的属性，成员变量，方法声明私有化。所以，类扩展里面的东西在编译的时候就已经存在类对象里面了，这点和分类不同。

博客地址：Category分类

六. load和initialize方法

  1. +load方法
    调用时机：+load方法会在Runtime加载类、分类时调用。
    调用顺序：先调用父类的+load，后调用子类的+load，再调用分类的+load，并且先编译的先调用。
    调用方式：根据函数地址直接调用。
    调用次数：每个类、分类的+load方法，在程序运行过程中只调用一次。
  1. +initialize方法
    调用时机：+initialize方法会在类第一次接收到消息时调用（走的也是objc_msgSend这一套机制）。
    调用顺序：先调用父类的+initialize，再调用子类的+initialize（先初始化父类，再初始化子类）。如果子类没有实现+initialize，会调用父类的+initialize（所以父类的+initialize可能会被调用多次）。如果分类实现了+initialize，就会覆盖类本身的+initialize调用。
    调用方式：通过objc_msgSend调用。
    调用次数：每个类只会初始化一次。

博客地址：+load和+initialize方法

七. 关联对象

  1. 分类可以添加属性吗？成员变量呢？
    分类可以添加属性，这从分类的底层结构也可以看出来，但是在分类中添加属性只会生成set、get方法的声明，不会生成_开头的成员变量，也不会生成set、get方法的实现。
    分类中不能直接添加成员变量，否则报错，其实从分类的底层结构也能看出来，分类并没有存放成员变量的地方。

  2. 如何给分类添加成员变量？
    可以使用关联对象间接实现Category有成员变量的效果。

  3. 使用关联对象给分类添加成员变量

//name
- (void)setName:(NSString *)name
{
    objc_setAssociatedObject(self, @selector(name), name, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
}

- (NSString *)name
{
    return objc_getAssociatedObject(self, @selector(name));
}

 - (NSString *)name:(id)self _cmd:(SEL)_cmd
 {
 // 隐式参数
 // _cmd == @selector(name)
 return objc_getAssociatedObject(self, _cmd);
 }
  1. 关联对象的原理
    ① 关联对象不是存储在原来实例对象和类对象里面，关联对象是通过Runtime实现的。
    ② 关联对象存储在全局的统一的一个AssociationsManager中。

博客地址：关联对象

八. block原理

block1-底层结构、变量捕获、类型

  1. 什么是block？
    block是封装了函数调用以及函数调用环境的OC对象

  2. 验证上面的结论

block的本质.png

如上图所示，block底层就是一个__main_block_impl_0结构体，它由三个部分组成：
① 第一部分是impl，它是个结构体，里面有isa指针和FuncPtr指针，FuncPtr指针指向__main_block_func_0函数，这个函数里面封装了block需要执行的代码。
② 第二部分是desc，它是个指针，指向__main_block_desc_0结构体，它里面有一个Block_size用来保存block的大小。
③ 第三部分是age，它把外面访问的成员变量age封装到自己里面了。

  1. block如何进行变量捕获？
    ① 如果是被auto修饰的局部变量，会被捕获，是值传递
    ② 如果是被static修饰的局部变量，会被捕获，是指针传递
    ③ 如果是全局变量，不会被捕获，因为可以直接访问
  1. block中会捕获self吗？
    block中会捕获self，并且是指针捕获。既然被捕获，就说明self是局部变量，为什么self是局部变量呢？其实每个方法都两个隐式参数，一个是self一个是_cmd，self是方法调用者，_cmd是方法名，既然self被当做参数了，那self肯定是局部变量了。self都被捕获了，肯定可以获取到self中的其他信息了。

接下来我们讲的都是在MRC环境下。

  1. block有三种类型，最终都是继承于NSBlock类型
    __NSGlobalBlock__ （ _NSConcreteGlobalBlock ）
    __NSMallocBlock__ （ _NSConcreteMallocBlock ）
    __NSStackBlock__ （ _NSConcreteStackBlock ）

  2. 三种block在内存中的分布

iOS程序的内存布局： iOS程序的内存布局 三种block在内存中的分布： 三种block内存分配.png

现在我们知道了三种block在内存中的分布：

__NSGlobalBlock__是放在数据段的，也就是和全局变量放在一起。
__NSMallocBlock__是放在堆区的，和一般的OC对象一样的，需要我们自己管理内存。
__NSStackBlock__是放在栈区的，和局部变量是一样的，系统自动管理内存。

  1. 什么样的block才是这三种block的某一种类型呢？
block类型 环境
__NSGlobalBlock__ 没有访问auto变量
__NSMallocBlock__ __NSStackBlock__调用了copy
__NSStackBlock__ 访问了auto变量
block类型 副本源的配置存储域 复制效果
__NSGlobalBlock__ 程序的数据区段 什么也不做
__NSMallocBlock__ 堆 引用计数器增加
__NSStackBlock__ 栈 从栈复制到堆

将上面的NSStackBlock加个copy变成NSMallocBlock，block就能正常使用了。

博客地址：底层结构、变量捕获、类型

block2-copy操作、对象类型的auto变量、__block

  1. 在ARC环境下，编译器会根据情况自动将栈上的block复制到堆上，比如以下情况：
    ① block作为函数返回值时
    ② 将block赋值给__strong指针时
    ③ block作为Cocoa API中方法名含有usingBlock的方法参数时
    ④ block作为GCD API的方法参数时

  2. block如何捕获对象类型的auto变量？如何进行内存管理的？

无论MRC、ARC，当block内部访问了对象类型的auto变量时（这时就是__NSStackBlock__，放在栈区）：

① 如果block是在栈上，将不会对auto变量产生强引用
② 如果栈上的block被拷贝到堆上（自己拷贝的或者ARC下系统自动拷贝的）
会调用block内部的copy函数
copy函数内部会调用_Block_object_assign函数
_Block_object_assign函数会根据auto变量的修饰符（__strong、__weak、__unsafe_unretained）做出相应的操作，形成强引用（retain）或者弱引用
③ 如果堆上的block被移除
会调用block内部的dispose函数
dispose函数内部会调用_Block_object_dispose函数
_Block_object_dispose函数会自动释放引用的auto变量（或者release)

  1. block内部如何修改auto变量值？
    ① 使用static修饰
    ② 使用全局变量
    ③ 使用__block修饰：
    __block可以用于解决block内部无法修改auto变量值的问题，编译器会将__block变量包装成一个对象。
    __block不能修饰全局变量、静态变量(static)（因为__block的作用就是上句👆）。

  2. 为什么__block修饰的auto变量可以修改变量值？
    使用__block修饰age，会将age包装成__Block_byref_age_0结构体(对象)，对象里面存着isa，对象的地址，对象的大小，age的值，然后通过对象里面的__forwarding指针拿到自己，再拿到自己的age值，进行修改。如果没修改外面的变量就不要加__block，因为又包装了一层对象，等用到的时候再加。

  3. 执行下面代码会报错吗？

NSMutableArray *arr = [NSMutableArray array];
MJBlock block = ^{
    [arr addObject:@"123"];
};

回答：不会。因为“ [arr addObject:@"123"];”是使用arr而不是修改它的值(例如：arr = nil)。

  1. 使用__block修饰变量的确可以达到修改变量的值的目的，如果要再次访问变量，到底访问的是__Block_byref_age_0结构体还是结构体里面的“int age”呢?
    使用__block修饰变量，再次访问，访问的是__Block_byref_age_0里面的int age变量。

现在想一下，为什么苹果要设计成访问变量(使用了__block修饰)直接访问的就是__Block_byref_age_0里面的变量呢？
因为对于一般的开发者来说，可能不知道被__block修饰后还会包装一次，就像KVO苹果重写class方法一样，是不让开发者知道有这么个操作，所以你访问变量，就把里面那个变量的地址给你了。

  1. __forwarding指针的作用

我们知道__Block_byref_age_0结构体中的__forwarding指针存的是自己的地址，当我们想要访问age，需要先通过age结构体中的__forwarding获取自己，然后再获取age，为什么设计这么奇怪呢？

回答：如果栈上的block复制到堆上了，那么栈上堆上肯定都有一块内存。如果我们想把20赋值到堆上的block，如果不用__forwarding指针，访问栈上的block，就会把20赋值到栈上的block。如果使用__forwarding指针，不管访问的block在哪，最后赋值到的一定是堆上的block。

博客地址：block2-copy操作、对象类型的auto变量、__block

block3-__block变量的内存管理、__forwarding、__block修饰的对象类型、循环引用

  1. 对象类型的auto变量和__block变量内存管理的区别？

有如下三个auto变量：

int no = 20;

__block int age = 10;

NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
__weak NSObject *weakObject = object;

MJBlock block = ^{
  age = 20;
  
  NSLog(@"%d", no);
  NSLog(@"%d", age);
  NSLog(@"%p", weakObject);
};

捕获之后，结构体多了三个成员，分别对应捕获的三个auto变量，如下👇：

 int no;  
 __Block_byref_age_0 *age; // by ref
 NSObject *__weak weakObject;

相同点：
① 当block在栈上时，对它们都不会产生强引用
② 当block拷贝到堆上时，都会通过copy函数来处理它们
③ 当block从堆上移除时，都会通过dispose函数来释放它们

不同点：
① 对于对象类型的auto变量，_Block_object_assign函数会根据auto变量的修饰符（__strong、__weak、__unsafe_unretained）做出相应的操作，形成强引用（retain）或者弱引用
② 对于__block变量：_Block_object_assign函数只会产生强引用（retain）

  1. __block修饰的对象类型的内存管理

① 当__block变量在栈上时，不会对指向的对象产生强引用
② 当__block变量被copy到堆时（自己拷贝的或者ARC下系统自动拷贝的）
会调用__block变量内部的copy函数
copy函数内部会调用_Block_object_assign函数
_Block_object_assign函数会根据所指向对象的修饰符（__strong、__weak、__unsafe_unretained）做出相应的操作，形成强引用（retain）或者弱引用（注意：这里仅限于ARC时会retain，MRC时不会retain，一直是弱的。这个特例只会在MRC并且是__block修饰对象类型才有）
③ 如果__block变量从堆上移除
会调用__block变量内部的dispose函数
dispose函数内部会调用_Block_object_dispose函数
_Block_object_dispose函数会自动释放指向的对象（release）

  1. ARC如何解决循环引用？
    用__weak解决
    用__unsafe_unretained解决

__weak：不会产生强引用，指向的对象销毁时，会自动让指针置为nil。
__unsafe_unretained：不会产生强引用，不安全，指向的对象销毁时，指针存储的地址值不变，这时候如果再去访问指针指向的地址就会报野指针错误。

  1. MRC如何解决循环引用？
    使用__unsafe_unretained解决

  2. block属性的建议写法？

MRC下block属性的建议写法
@property (copy, nonatomic) void (^block)(void);

ARC下block属性的建议写法
@property (strong, nonatomic) void (^block)(void);
@property (copy, nonatomic) void (^block)(void);

① 使用copy会将栈上的block拷贝到堆上，如果不使用copy，block就不会拷贝到堆上，因为MRC编译器不会自动copy，所以只能用copy。
② 以前我们说过，ARC环境，并且把block赋值给强指针，编译器会自动把block拷贝到堆上，所以ARC使用copy和strong都可以，没区别。
③ 为了统一好记，我们统一对block使用copy

  1. __strong typeof(weakSelf) myself = weakSelf;为什么要这么写？
__weak typeof(self) weakSelf = self;
self.block = ^{
    __strong typeof(weakSelf) myself = weakSelf;
//报错：
//Dereferencing a __weak pointer is not allowed due to possible null value caused by race condition, assign it to strong variable first
    NSLog(@"age is %d", myself->_age);
};

① 原因一，如果在block内部通过weakSelf->_age会报错“弱指针不允许访问，因为有可能为null，让你使用强指针”，所以我们就用__strong强指针来访问self。
② 原因二，访问self的时候我们使用一个临时的强指针来访问self，这样在整个block执行期间，可以保证self对象不会被销毁，同时，block调用完后，临时的强指针被销毁，一切又回归原来的样子。这样既能保证整个block执行期间，self对象不会被销毁，又能保证不会产生循环引用。

  1. block的原理是怎样的？本质是什么？
    block是封装了函数调用以及调用环境的OC对象，比如函数的调用地址、捕获的变量都封装到了里面。

  2. __block的作用是什么？有什么使用注意点？
    编译器会将__block变量包装成一个对象，就是__Block_byref_person_0这种结构体，可以解决block内部无法修改auto变量的问题（自己思考为什么不能修改）。
    使用注意：__block变量内部自己也会进行内存管理，而且MRC环境下，__block修饰对象，对象不会被retain的。

  3. 为什么使用__block修饰auto变量，在block内部就能修改此变量了？
    block内部有个指针指向__Block_byref_person_0结构体，通过访问结构体，再通过结构体访问变量进行修改的。

  4. block的属性修饰词为什么是copy？使用block有哪些使用注意？
    block一旦没有进行copy操作，就不会在堆上。使用注意：循环引用问题。

博客地址：block3-__block变量的内存管理、__forwarding、__block修饰的对象类型、循环引用

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