OC底层原理06 - 类结构探索(1)
类是什么？
类：指向objc_class结构体的指针
typedef struct objc_class *Class;
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
}
对象：指向objc_object结构体的指针
typedef struct objc_object *id;
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
}
从上面源码中可以得到，objc_class继承于objc_object。换句话说，objc_class也是一个对象，后面称为类对象；
objc_class具有以下几个特点：
- 并且它的第一个属性（即
isa）是由objc_object继承而来。 -
superclass：这仍然是一个指向objc_class结构体的指针，指向父类。 -
cache：该结构体用来缓存方法。 -
bits：该结构体用来存储更加详细的类信息。
总结：类也是一种对象，在类里面定义了一些属性和方法。
“万物皆对象”可能是由此而来的。
isa指针
在objc_class结构体中，第一个成员就是isa，在之前的文章中，已经描述了如何将对象的isa与类关联起来，可是为什么在类的结构体里面又有isa呢？这个isa又指向什么呢？
说到isa指针，不得不拿出isa走位图，该图清晰的描述了isa的指向。
isa走位图.png
元类
在分析isa走位图之前，先引入一个概念元类。
-
元类是系统给的，其定义和创建都是由编译器完成。 -
元类是类对象的类，每一个类都有一个独一无二的元类来存储类方法的相关信息。 -
元类本身是没有名称的，由于与类有关联，所以同类名一样的名称。 - 在
继承链中处于顶端的元类，称为根元类。即所有NSObject子类的元类都会以NSObject的元类为它们的根元类。
流程图分析
从图中，可以得到以下信息：
1. 对象的isa指向类；
2. 类的isa指向元类；
3. 元类的isa指向根元类；
4. 根元类的isa指向自己；
验证
准备工作：
- 定义一个LGPerson类，使其继承于NSObject；
- 定义一个LGStudent类，使其继承于LGPerson；
- 最后在main函数中定义LGPerson对象和LGStudent对象。
//定义一个LGPerson类，继承于NSObject
@interface LGPerson : NSObject
@property(nonatomic, strong) NSString* name;
- (void)sayInstanceMethod;
+ (void)sayClassMethod;
@end
@implementation LGPerson
- (void)sayInstanceMethod{
NSLog(@"%s", __func__);
}
+ (void)sayClassMethod{
NSLog(@"%s", __func__);
}
@end
//定义一个LGStudent类，继承于LGPerson
@interface LGStudent : LGPerson
@end
@implementation LGStudent
@end
//在main.cpp中定义两个对象
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
LGPerson *person = [LGPerson alloc];
LGStudent* student = [LGStudent alloc];
NSLog(@"Hello, World! %@, %@",person, student);
}
return 0;
}
在NSLog处打断点，让程序暂停在此处。接下来开始使用lldb进行调试。
- 获取person对象的地址
(lldb) p/x person
(LGPerson *) $0 = 0x00000001006ebc90
- 读取person对象所处地址的内存
(lldb) x/4gx $0
0x1006ebc90: 0x001d800100008255 0x0000000000000000
0x1006ebca0: 0x697263534b575b2d 0x67617373654d7470
- 读取isa中的类信息
由之前对象的isa与类关联的分析中知道，person对象内存中第一个元素是isa。并且0x001d800100008255的bit3 - bit35是类信息。
因此可以通过掩码的方式解析出person对象的isa所指向的类的首地址。具体分析可查看之前文章。
(lldb) po 0x001d800100008255 & 0x00007ffffffffff8ULL
LGPerson
(lldb) p 0x001d800100008255 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $2 = 0x0000000100008250
此时得到的LGPerson是类还是元类呢？通过runtime接口打印一下即可。
//获取类的地址
(lldb) p/x person.class
(Class) $12 = 0x0000000100008250 LGPerson
//获取元类的地址
(lldb) p/x objc_getMetaClass("LGPerson")
(Class) $13 = 0x0000000100008228
此时可以知道。0x0000000100008250就是person对象的类。
得到重要线索1：对象的isa指向类，此处person对象的isa指向LGPerson类。
既然说类也是一个对象，那我们就读取一下类首地址处的内存，看看有什么收获？
- 读取LGPerson类首地址处的内存
(lldb) x/4gx 0x0000000100008250
0x100008250: 0x0000000100008228 0x000000010034c140
0x100008260: 0x0000000100346430 0x0000801c00000000
根据类的定义，第一个元素仍然是isa，那它会指向哪里？
- 获取
类的isa所包含的类信息
(lldb) po 0x0000000100008228 & 0x00007ffffffffff8ULL
LGPerson
(lldb) p/x 0x0000000100008228 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $3 = 0x0000000100008228
得到重要线索2：类的isa指向元类，此处LGPerson类的isa指向LGPerson元类。
- 接下来我们继续读取
元类的isa所指向的内存，操作步骤之前相似，这里不重复描述。
//读取该地址（LGPerson的isa指向的类首地址）下在的内存
(lldb) x/4gx 0x0000000100008228
0x100008228: 0x000000010034c0f0 0x000000010034c0f0
0x100008238: 0x0000000103a040a0 0x0003e03500000007
//获取内存中isa指向的类信息
(lldb) po 0x000000010034c0f0 & 0x00007ffffffffff8ULL
NSObject
//继续获取isa指向的内存地址
(lldb) p 0x000000010034c0f0 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $4 = 0x000000010034c0f0
//读取isa指向的内存地址
(lldb) x/4gx 0x000000010034c0f0
0x10034c0f0: 0x000000010034c0f0 0x000000010034c140
0x10034c100: 0x0000000103a044b0 0x0004e03100000007
//获取内存中isa指向的类信息
(lldb) po 0x000000010034c0f0 & 0x00007ffffffffff8ULL
NSObject
此时类信息已经变成NSObject,并且继续对NSObject读取isa指向时，发现一直指向的同一个NSObject（因为地址没有发生改变）。
得到两条线索：
1. LGPerson元类的isa指向根元类，此处的根元类为NSObject;
2. 根元类的isa指向根元类自己
通过一步一步读取isa的指向，验证了isa走位图中isa的走位。
总结：
作为重点，这里再强调一遍isa的走位。
1. 实例对象（Instance of Subclass）的isa指向类（class）；
2. 类对象（class）的isa指向元类（Meta class）；
3. 元类（Meta class）的isa指向根元类（Root metal class）；
4. 根元类（Root metal class）的isa指向它自己本身；
supperclass
在isa走位图里面还描述了一个superclass，表示继承关系，图中描述的是：
- 子类的
类对象的superclass指向的是它的父类的类对象，即子类继承父类。 - 子类的
元类对象的superclass指向的是它的父类的元类对象，即子元类继承父元类。 -
根元类对象的superclass指向根类对象，即根元类继承根类。 - 最终的
superclass指向nil。
接下来也来验证一下：
- 分别读取
NSObject类、NSObject元类、LGPerson类、LGPerson元类、LGStudent类、LGStudent元类的地址，为后续比较做准备。
//NSObject 类地址
(lldb) p/x objc_getClass("NSObject")
(Class) $1 = 0x000000010034c140 NSObject
//NSObject 元类地址
(lldb) p/x objc_getMetaClass("NSObject")
(Class) $2 = 0x000000010034c0f0
//LGPerson 类地址
(lldb) p/x objc_getClass("LGPerson")
(Class) $3 = 0x00000001000082e8 LGPerson
//LGPerson 元类地址
(lldb) p/x objc_getMetaClass("LGPerson")
(Class) $4 = 0x00000001000082c0
//LGStudent 类地址
(lldb) p/x objc_getClass("LGStudent")
(Class) $5 = 0x0000000100008338 LGStudent
//LGStudent 元类地址
(lldb) p/x objc_getMetaClass("LGStudent")
(Class) $6 = 0x0000000100008310
- 读取
LGStudent 类的supperclass。
(lldb) p/x LGStudent.superclass
(Class) $7 = 0x00000001000082e8 LGPerson
得出结论1：LGStudent 类的supperclass为LGPerson类。
- 读取
LGPerson类的supperclass。
(lldb) p/x LGPerson.superclass
(Class) $8 = 0x000000010034c140 NSObject
得出结论2：LGPerson 类的supperclass为NSObject类。
- 读取
NSObject类的supperclass。
(lldb) p/x NSObject.superclass
(Class) $9 = nil
得出结论3：NSObject 类的supperclass为nil。
- 读取
LGStudent 元类的supperclass。
(lldb) p/x ((LGStudent*)objc_getMetaClass("LGStudent")).superclass
(Class) $10 = 0x00000001000082c0
得出结论4：LGStudent 元类的supperclass为LGPerson 元类。
- 读取
LGPerson 元类的supperclass。
(lldb) p/x ((LGPerson*)objc_getMetaClass("LGPerson")).superclass
(Class) $11 = 0x000000010034c0f0
得出结论5：LGPerson 元类的supperclass为NSObject 元类。
- 读取
NSObject 元类的supperclass。
(lldb) p/x ((NSObject*)objc_getMetaClass("NSObject")).superclass
(Class) $12 = 0x000000010034c140 NSObject
得出结论6：NSObject 元类的supperclass为NSObject 类。
至此，已经完成supperclass走位图的验证。
总结：
1. 类（subClass）继承自父类（superClass）。
2. 父类（superClass）继承自根类（RootClass）。
3. 根类继承自nil，根类可以理解为万物起源
4. 子类的元类（metal SubClass）继承自父类的元类（metal SuperClass）
5. 父类的元类（metal SuperClass）继承自根元类（Root metal Class）
6. 根元类（Root metal Class）继承自根类（Root class）。
