iOS 类原理探索：类的结构分析

2021-07-17 本文已影响0人 SpringSunLcy

OC 类原理探索系列文章

前言

上一篇 OC 对象原理探索（三）：对象的本质 & isa，介绍了isa的结构，关联到了类，这篇文章主要对类的结构进行分析。

一、isa 分析到元类

先通过lldb调试进行一波探索：

image.png

如上图：通过isa & isa的掩码，最终得到了SSLPerson，但是类中的isa & isa的掩码也得到了SSLPerson这是为什么呢？

是不是内存中存了很多个SSLPerson类对象呢，下面我们来验证一下：

Class class1 = [SSLPerson class];
Class class2 = [SSLPerson alloc].class;
Class class3 = object_getClass([SSLPerson alloc]);
Class class4 = [SSLPerson alloc].class;
NSLog(@"\n%p-\n%p-\n%p-\n%p-",class1,class2,class3,class4);

打印结果：
0x1000081f0-
0x1000081f0-
0x1000081f0-
0x1000081f0-

打印的地址都是相同的，可以判断SSLPerson类对象在内存中只有一个。

我们用MachOView打开本项目的MachO文件 ->Symbol Table->*Symbols-> 搜索框输入class -> 向下滑：

106931623940431_.pic_hd.jpg

__OBJC_CLASS_RO_$_SSLPerson是我们创建的SSLPerson类。
__OBJC_METACLASS_RO_$_SSLPerson并不是我们创建的，它是系统创建的SSLPerson的METACLASS（元类），类对象的isa指针就指向了元类，那么元类的isa指针又指向哪儿里呢。

二、isa 走位图和继承链

1. isa 的走位链

看SSLPerson走位打印情况：

// SSLPerson 实例对象
SSLPerson *person = [SSLPerson alloc];
// SSLPerson 类对象
Class class = object_getClass(person);
// SSLPerson 元类
Class metaClass = object_getClass(class);
// SSLPerson 根元类
Class rootMetaClass = object_getClass(metaClass);
// SSLPerson 根根元类
Class rootRootMetaClass = object_getClass(rootMetaClass);

NSLog(@"\n实例对象：%p \n类：%p \n元类：%p \n根元类：%p \n根根元类：%p",person,class,metaClass,rootMetaClass,rootRootMetaClass);

打印结果：
实例对象：0x101044470 
类：0x1000081f0 
元类：0x1000081c8 
根元类：0x7fff80843fe0 
根根元类：0x7fff80843fe0

看打印结果，根元类和根根元类的地址都是0x7fff80843fe0。可以得出SSLPerson的isa指向关系：实例isa -> 类 isa -> 元类 isa -> 根元类 isa -> 根元类。

看NSObject走位打印情况：

// NSObject 实例对象
NSObject *object = [NSObject alloc];
// NSObject 类
Class class = object_getClass(object);
// NSObject 元类
Class metaClass = object_getClass(class);
// NSObject 根元类
Class rootMetaClass = object_getClass(metaClass);
// NSObject 根根元类
Class rootRootMetaClass = object_getClass(rootMetaClass);
    
NSLog(@"\n实例对象：%p \n类：%p \n元类：%p \n根元类：%p \n根根元类：%p ",object,class,metaClass,rootMetaClass,rootRootMetaClass);

打印结果：
实例对象：0x100562780 
类：0x7fff80844008 
元类：0x7fff80843fe0 
根元类：0x7fff80843fe0 
根根元类：0x7fff80843fe0

看打印结果，元类、根元类、根根元类的地址都是0x7fff80843fe0。可以得出NSObject的isa指向关系：实例isa -> 类 isa -> 根元类 isa -> 根元类。可以发现NSObject跟普通类有所不同，类的isa指针直接指向了根元类。

根据上面的分析可以得到isa的走位图：

image.png

2. 继承链

看下面的打印结果：

// SSLStudent 元类
Class tMetaClass = object_getClass(SSLStudent.class);
// SSLStudent 元类的父类
Class tSuperClass = class_getSuperclass(tMetaClass);
NSLog(@"SSLStudent 元类：%p",tMetaClass);
NSLog(@"SSLStudent 元类的父类：%p",tSuperClass);
    
// LGPerson 元类
Class pMetaClass = object_getClass(SSLPerson.class);
// LGPerson 元类的父类
Class pSuperClass = class_getSuperclass(pMetaClass);
NSLog(@"SSLPerson 元类：%p",pMetaClass);
NSLog(@"SSLPerson 元类的父类：%p",pSuperClass);
    
// NSObject 元类
Class nMetaClass = object_getClass(NSObject.class);
// NSObject 元类的父类
Class nSuperClass = class_getSuperclass(nMetaClass);
NSLog(@"NSObject 元类：%p",nMetaClass);
NSLog(@"NSObject 元类的父类：%p",nSuperClass);

// NSObject 父类
Class superClass = class_getSuperclass(NSObject.class);
NSLog(@"NSObject ：%p",NSObject.class);
NSLog(@"NSObject 父类：%p",superClass);

打印结果：
SSLStudent 元类：0x100008178
SSLStudent 元类的父类：0x1000081c8
SSLPerson 元类：0x1000081c8
SSLPerson 元类的父类：0x7fff80843fe0
NSObject 元类：0x7fff80843fe0
NSObject 元类的父类：0x7fff80844008
NSObject ：0x7fff80844008
NSObject 父类：0x0

SSLStudent 元类的父类和SSLPerson 元类的地址都是0x1000081c8；
SSLPerson 元类的父类和NSObject 元类的地址都是0x7fff80843fe0；
NSObject 元类的父类和NSObject的地址都是0x7fff80844008；
NSObject 父类是空。

因此可以得到类的继承链：

image.png

3.官方走位继承图

isa流程图.png

三、源码分析类的结构

我们打开源码（objc4-818版本）搜索struct objc_class查看类结构。

1. 废弃的类结构

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

在网上我们也会经常看到这段代码，但是我们可以看到OBJC2_UNAVAILABLE，说明这个版本在2.0中已经废弃了，我们就不用再看这个版本。

2. 源码类结构

现在用的类结构版本在objc-runtime-new.h中，定义如下：

struct objc_class : objc_object {
    xxx...
    // 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();
    }
    xxx...
}

可以看到类是一个objc_class类型的结构体，继承于objc_object，我们之前文章已经了解到objc_object结构体中有个isa_t类型的isa成员变量。

objc_class中的成员变量：

isa：隐藏变量，继承于objc_object；
superclass：类指针，指向父类；
cache：缓存；
bits：内存数据。

四、内存偏移（知识补充）

// 基本类型
int a = 10;
// 对象类型
SSLPerson *person = [SSLPerson alloc]; 
NSLog(@"%p -- %d",&a,a);
NSLog(@"%p -- %@",&person,person);

打印结果：
0x7ffeefbff3ac -- 10
0x7ffeefbff3a0 -- <SSLPerson: 0x100728a20>

a指针指向10的地址，person指针指向[SSLPerson alloc]开辟的内存地址，同时&person指针又指向了person指针的地址。

如图：

image.png

// 数组指针
int c[4] = {1,2,3,4};
int *d   = c;
NSLog(@"%p - %p - %p",&c,&c[0],&c[1]);
NSLog(@"%p - %p - %p",d,d+1,d+2);

for (int i = 0; i<4; i++) {
    int value =  *(d+i);
    NSLog(@"%d",value);
}

打印结果：
0x7ffeefbff3a0 - 0x7ffeefbff3a0 - 0x7ffeefbff3a4
0x7ffeefbff3a0 - 0x7ffeefbff3a4 - 0x7ffeefbff3a8
1
2
3
4

d、c、c[0]都指向了数组的首地址0x7ffeefbff3a0；
对地址进行加1操作就是地址偏移了sizeof(int)的大小，得到下一个元素的地址0x7ffeefbff3a4、0x7ffeefbff3a8、0x7ffeefbff3ac；
通过*(指针)操作得到地址所存储的值。

image.png

五、类结构的内存计算

1. 计算 bits 偏移大小

上面我们知道类结构中有isa、superclass、cache、bits四个成员变量。isa占8个字节，superclass是结构体指针也占8个字节，下面来看下cache占多少个字节。

struct cache_t {

private:
    explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask; // 8
    union {
        struct {
            explicit_atomic<mask_t>    _maybeMask;// 4
#if __LP64__
            uint16_t                   _flags;  // 2
#endif
            uint16_t                   _occupied; // 2
        };
        explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache;// 指针 8
    };
}

cache_t的大小为_bucketsAndMaybeMask和union的和。
点进explicit_atomic<uintptr_t>中可以看到初始化和方法都是范型，所以_bucketsAndMaybeMask的大小就是<uintptr_t>的大小为8字节；
也可得出union的大小为8字节，整个cache_t结构体的大小就是16字节。

所以得到，从类的首地址偏移到bits需要8 + 8 + 16 = 32个字节也就是0x20。

2. 通过偏移获取 bits

用lldb进行调试获取bits中class_rw_t的值：

image.png

3. bts 中 class_rw_t 结构分析

接下来我们要探究class_rw_t中方法和属性的存储，打开源码，看一下class_rw_t中有些什么：

struct class_rw_t {
    xxx...
    
    const method_array_t methods() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext)->methods;
        } else {
            return method_array_t{v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext)->baseMethods()};
        }
    }

    const property_array_t properties() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext)->properties;
        } else {
            return property_array_t{v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext)->baseProperties};
        }
    }
}

methods()：获取方法函数，返回值为method_array_t类；
properties()：获取属性，返回值为property_array_t类；

看下method_array_t和property_array_t的定义：

class method_array_t : 
    public list_array_tt<method_t, method_list_t, method_list_t_authed_ptr>
{
    xxx...
};

class property_array_t : 
    public list_array_tt<property_t, property_list_t, RawPtr>
{
    xxx...
};

template <typename Element, typename List, template<typename> class Ptr>
class list_array_tt {
    xxx...
}

struct property_list_t : entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> {
};
struct property_t {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

struct method_list_t : entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 0xffff0003, method_t::pointer_modifier> {
    xxx...
}
struct method_t {
    xxx...
    struct big {
        SEL name;
        const char *types;
        MethodListIMP imp;
    };
    xxx...
}

template <typename Element, typename List, uint32_t FlagMask, typename PointerModifier = PointerModifierNop>
struct entsize_list_tt {
    xxx...
    Element& getOrEnd(uint32_t i) const { 
        ASSERT(i <= count);
        return *PointerModifier::modify(*this, (Element *)((uint8_t *)this + sizeof(*this) + i*entsize()));
    }
    Element& get(uint32_t i) const { 
        ASSERT(i < count);
        return getOrEnd(i);
    }
    xxx...
}

property_array_t和method_array_t继承自list_array_tt；
list_array_tt中List对应property_list_t或method_list_t；
property_list_t和method_list_t继承自entsize_list_tt；
entsize_list_tt中有get()方法可以获取列表中元素；
property_t中有name和attributes成员变量；
method_t中有big结构体，结构体中有name、types、imp成员变量。

4. lldb 查看属性列表：property_list_t

image.png

properties()函数，最终得到了属性name、age，并没有获取到_hoby成员变量；

5. lldb 查看方法列表：method_list_t

image.png

methods()函数，最终得到了方法name、setName、age、setAge、eat，并没有获取到+ (void)run；

6. lldb 查找类方法

类方法存储在元类中，lldb验证：

image.png

7. 成员变量结构分析

image.png

最终找到ivar_list_t * ivars变量；
ivar_list_t和method_list_t、property_list_t一样都继承自entsize_list_tt。

8. lldb 查看成员变量：ivar_list_t

image.png

iOS 类原理探索：类的结构分析

OC 类原理探索系列文章

前言

一、isa 分析到元类

二、isa 走位图和继承链

1. isa 的走位链

2. 继承链

3.官方走位继承图

三、源码分析类的结构

1. 废弃的类结构

2. 源码类结构

四、内存偏移（知识补充）

五、类结构的内存计算

1. 计算 bits 偏移大小

2. 通过偏移获取 bits

3. bts 中 class_rw_t 结构分析

4. lldb 查看属性列表：property_list_t

5. lldb 查看方法列表：method_list_t

6. lldb 查找类方法

7. 成员变量结构分析

8. lldb 查看成员变量：ivar_list_t

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2. 通过偏移获取 bits

3. bts 中 class_rw_t 结构分析

4. lldb 查看属性列表：property_list_t

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8. lldb 查看成员变量：ivar_list_t

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