iOS开发

iOS 类的结构分析

2021-02-09  本文已影响0人  辉辉岁月

类 的分析

类的分析 主要是分析 isa的走向 以及 继承关系

准备工作

定义两个类

@interface CJLPerson : NSObject
{
    NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *cjl_name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end

@implementation CJLPerson
- (void)sayHello
{}
+ (void)sayBye
{}
@end

@interface CJLTeacher : CJLPerson
@end

@implementation CJLTeacher
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        //ISA_MASK  0x00007ffffffffff8ULL
        CJLPerson *person = [CJLPerson alloc];
        CJLTeacher *teacher = [CJLTeacher alloc];
        NSLog(@"Hello, World! %@ - %@",person,teacher);  
    }
    return 0;
}

元类

首先，我们先通过一个案例的lldb调试先引入元类

根据调试过程，我们产生了一个疑问：为什么图中的p/x 0x001d8001000022dd & 0x00007ffffffffff8ULL 与 p/x 0x00000001000022b0 & 0x00007ffffffffff8ULL 中的类信息打印出来都是CJLPerson？

元类的说明

下面来解释什么是元类，主要有以下几点说明：

下面通过lldb命令来探索元类的走向，也就是isa的走位，如下图所示，可以得出一个关系链：对象 --> 类 --> 元类 --> NSobject, NSObject 指向自身

isa走位

总结

从图中可以看出

NSObject到底有几个？

从图中可以看出，最后的根元类是NSObject，这个NSObject 与我们日开开发中所知道的NSObject是同一个吗？

有以下两种验证方式

【方式一】lldb命令验证

我们也通过lldb调试，来验证这两个NSObject是否是同一个，如下图所示

image

从图中可以看出，最后NSObject类的元类 也是NSObject，与上面的CJLPerson中的根元类（NSObject）的元类，是同一个，所以可以得出一个结论：内存中只存在存在一份根元类NSObject，根元类的元类是指向它自己

【方式二】代码验证

通过三种不同的方式获取类，看他们打印的地址是否相同

//MARK:--- 分析类对象内存 存在个数
void testClassNum(){
    Class class1 = [CJLPerson class];
    Class class2 = [CJLPerson alloc].class;
    Class class3 = object_getClass([CJLPerson alloc]);
    NSLog(@"\n%p-\n%p-\n%p-\n%p", class1, class2, class3);
}

以下是代码运行的结果

关系图示

从结果中可以看出，打印的地址都是同一个，所以NSObject只有一份，即NSObject（根元类）在内存中永远只存在一份

[面试题]：类存在几份？

由于类的信息在内存中永远只存在一份，所以 类对象只有一份

著名的 isa走位 & 继承关系 图

根据上面的探索以及各种验证，对象、类、元类、根元类的关系如下图所示

image

isa走位

isa的走向有以下几点说明：

superclass走位

superclass（即继承关系）的走向也有以下几点说明：

举例说明

以前文提及的的CJLTeacher及对象teacher 、CJLPerson及对象person举例说明，如下图所示

isa走位 & 继承 举例说明

objc_class & objc_object

isa走位我们理清楚了，又来了一个新的问题：为什么 对象 和 类都有isa属性呢？这里就不得不提到两个结构体类型：objc_class & objc_object

下面在这两个结构体的基础上，对上述问题进行探索。

在上一篇文章isa底层分析中，使用clang编译过main.m文件，从编译后的c++文件中可以看到如下c++源码

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};


typedef struct objc_class *Class;

在objc4源码中搜索objc_class的定义，源码中对其的定义有两个版本

新版objc_class定义
从新版的定义中，可以看到 objc_class 结构体类型是继承自 objc_object的

在objc4源码中搜索objc_object (或者 objc_object {,这个类型也有两个版本

以下是编译后的main.cpp中的objc_object的定义

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa __attribute__((deprecated));
};

【问题】objc_class 与 objc_object 有什么关系？

通过上述的源码查找以及main.cpp中底层编译源码，有以下几点说明：

【百度面试题】objc_object 与 对象的关系

【总结】 objc_object 与 对象的关系 是 继承关系

总结

类结构分析

主要是分析类信息中存储了哪些内容

补充知识-内存偏移

在分析类结构之前，需要先了解内存偏移，因为类信息中访问时，需要使用内存偏移

【普通指针】

//普通指针
    int a = 10; //变量
    int b = 10;
    NSLog(@"%d -- %p", a, &a);
    NSLog(@"%d -- %p", b, &b);

打印结果如下图所示

【对象指针】

//对象
    CJLPerson *p1 = [CJLPerson alloc]; // p1 是指针
    CJLPerson *p2 = [CJLPerson alloc];
    NSLog(@"%d -- %p", p1, &p1);
    NSLog(@"%d -- %p", p2, &p2);

打印结果如图所示

其指针的指向如下图所示

对象指针指向

【数组指针】

//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);

打印结果如下

image

其指针指向如下所示


数组指针指向

探索类信息中都有哪些内容

探索类信息中有什么时，事先我们并不清楚类的结构是什么样的，但是我们可以通过类得到一个首地址，然后通过地址平移去获取里面所有的值

根据前文提及的objc_class 的新版定义（objc4-781版本）如下，有以下几个属性

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA; //8字节
    Class superclass; //Class 类型 8字节
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    //....方法部分省略，未贴出
}

计算 cache 类的内存大小

进入cache类cache_t的定义（只贴出了结构体中非static修饰的属性，主要是因为static类型的属性 不存在结构体的内存中），有如下几个属性

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets; // 是一个结构体指针类型，占8字节
    explicit_atomic<mask_t> _mask; //是mask_t 类型，而 mask_t 是 unsigned int 的别名，占4字节
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets; //是指针，占8字节
    mask_t _mask_unused; //是mask_t 类型，而 mask_t 是 uint32_t 类型定义的别名，占4字节
    
#if __LP64__
    uint16_t _flags;  //是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节
#endif
    uint16_t _occupied; //是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节

总结：所以最后计算出cache类的内存大小 = 12 + 2 + 2 = 16字节

获取bits

所以有上述计算可知，想要获取bits的中的内容，只需通过类的首地址平移32字节即可

以下是通过lldb命令调试的过程

获取bits的lldb调试流程

探索 属性列表，即 property_list

通过查看class_rw_t定义的源码发现，结构体中有提供相应的方法去获取 属性列表、方法列表等，如下所示

class_rw_t中的相关方法

在获取bits并打印bits信息的基础上，通过class_rw_t提供的方法，继续探索 bits中的属性列表，以下是lldb 探索的过程图示

获取属性列表的lldb调试流程

【问题】探索成员变量的存储

由此可得出property_list 中只有属性，没有成员变量，属性与成员变量的区别就是有没有set、get方法，如果有，则是属性，如果没有，则是成员变量。

那么问题来了，成员变量存储在哪里？为什么会有这种情况？请移至文末的分析与探索

探索 方法列表，即methods_list

准备工作：在前文提及的CJLPerson中增加两个方法（实例方法 & 类方法）

//CJLPerson.h
@property (nonatomic, copy) NSString *cjl_name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end

//CJLPerson.m
@implementation CJLPerson
- (void)sayHello
{}
+ (void)sayBye
{}
@end

也是通过lldb调试来获取方法列表，步骤如图所示

image

新问题的探索

【问题】探索成员变量的存储

由上面的属性列表分析可得出property_list 中只有属性，没有成员变量，那么问题来了，成员变量存储在哪里？为什么会有这种情况？

通过查看objc_class中bits属性中存储数据的类class_rw_t的定义发现，除了methods、properties、protocols方法，还有一个ro方法，其返回类型是class_ro_t，通过查看其定义，发现其中有一个ivars属性，我们可以做如下猜测：是否成员变量就存储在这个ivar_list_t类型的ivars属性中呢？

下面是lldb的调试过程

成员变量存储探索的调试 
struct class_ro_t {
    uint32_t flags;     //4
    uint32_t instanceStart;//4
    uint32_t instanceSize;//4
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;  //4
#endif

    const uint8_t * ivarLayout; //8
    
    const char * name; //1 ? 8
    method_list_t * baseMethodList; // 8
    protocol_list_t * baseProtocols; // 8
    const ivar_list_t * ivars;

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;
    
    //方法省略
}

通过图中可以看出，获取的ivars属性，其中的count 为2，通过打印发现 成员列表中除了有hobby，还有name，所以可以得出以下一些结论：

通过{}定义的成员变量，会存储在类的bits属性中，通过bits --> data() -->ro() --> ivars获取成员变量列表，除了包括成员变量，还包括属性定义的成员变量

通过@property定义的属性，也会存储在bits属性中，通过bits --> data() --> properties() --> list获取属性列表，其中只包含属性

【问题】探索类方法的存储

由此可得出methods list 中只有 实例方法，没有类方法，那么问题来了，类方法存储在哪里？为什么会有这种情况？下面我们来仔细分析下

在文章前半部分，我们曾提及了元类，类对象的isa指向就是元类，元类是用来存储类的相关信息的，所以我们猜测：是否类方法存储在元类的bits中呢？可以通过lldb命令来验证我们的猜测。下图是lldb命令的调试流程

类方法存储的探索流程

通过图中元类方法列表的打印结果，我们可以知道，我们的猜测是正确的，所以可以得出以下结论：

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