iOS底层原理(四) 类的结构分析
以下源码分析基于 objc4-781
类和对象
在前面我们提到过对象的本质是一个结构体，定义如下
struct objc_object {
isa_t isa;
}
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
接下来我们再来看一下类的定义
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits;
}
typedef struct objc_class *Class;
实际上 objc_class 是继承于 objc_object，我们可以认为类也是一个对象，叫做 类对象。
对象和类的 ias 指向分析
通过上面的定义 类 和 对象 都有 isa 接下来我们就通过 lldb 方式来研究 isa 的走向。
首先我们先定义两个类 Person 和 Teacher， Person 继承于 NSObject， Teacher 继承于 Person。
@interface Person : NSObject
@end
@implementation Person
@end
@interface Teacher : Person
@end
@implementation Teacher
@end
分别初始化三个对象
NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
Person *person = [[Person alloc] init];
Teacher *teacher = [[Teacher alloc] init];
通过 lldb 探究 isa 指向
Teacher 对象的 isa 分析
查找 teacher 的 isa
(lldb) x/gx teacher // 找到 isa
0x1028244e0: 0x001d8001000083c9
通过上面的方式我们找到了 isa 的内容为 0x001d8001000083c9。
我们知道对象的类的地址就存在 isa 之中，通过 ISA_MASK 可以拿到对象的 Class 地址。
(lldb) p/x 0x001d8001000083c9 & 0x0000000ffffffff8ULL
(unsigned long long) $1 = 0x00000001000083c8
(lldb) po 0x00000001000083c8
Teacher
我们找到了对象的 Class，接下来我们可以验证一下是否正确
(lldb) p/x teacher.class
(Class) $3 = 0x00000001000083c8 Teacher
可以发现两个地址是一样的，说明我们找到的确实 teacher 的类。
由于类也是继承于对象的，因此类也有 isa，我们继续向上查找。
(lldb) x/gx 0x00000001000083c8
0x1000083c8: 0x00000001000083a0
(lldb) po 0x00000001000083a0
Teacher
在前面 isa_t 结构研究的过程中，我们了解到 isa 的最低位存放的是 nonpointer 如果最低位为 0，isa 储存的是一个指针，如果为 1 则不是一个单纯的指针。我们可以通过16进制的最低位的奇偶来判断 isa，如果为奇数 isa 存放的是一个指针，可以直接打印类型。
继续向上查找，这里找到 Teacher 的 isa 为 0x00000001000083a0，表示一个指针，可以直接打印，结果我们又找到了一个 Teacher，他的地址为 0x00000001000083a0，和我们之前找到的 Teacher 的地址不同，因此他们不是同一个类对象。在这里我们称新找到的 Teacher 为 元类（MetaClass）。
我们接着来打印元类的 isa
(lldb) x/gx 0x00000001000083a0
0x1000083a0: 0x000000010034c0f0
(lldb) po 0x000000010034c0f0
NSObject
(lldb) x/gx 0x000000010034c0f0
0x10034c0f0: 0x000000010034c0f0
我们会发现元类的 isa 指向的是 NSObject，继续向上查找 NSObject 的 isa 又会指向本身，形成一个循环。
(对象)teacher -> (Class)Teacher: 0x00000001000083c8 -> (metaClass)Teacher: 0x00000001000083a0 -> NSObject: 0x000000010034c0f0 <--> NSObject: 0x000000010034c0f0
Person 对象的 isa 分析
我们可以通过同样的方式分析 Person，这里就不在赘述分析过程了，直接上结果
(对象)person -> (Class)Person: 0x0000000100008378 -> (metaClass)Person: 0x0000000100008350 -> NSObject: 0x000000010034c0f0 <--> NSObject: 0x000000010034c0f0
NSObject 对象的 isa 分析
上面我们发现所有对象的 isa 最终指向的都是 NSObject，接下来我们对 NSObject 对象来进行分析。
首先找到 object 的 isa
(lldb) x/gx object
0x1028274f0: 0x001d80010034c141
(lldb) p/x 0x001d80010034c141 & 0x0000000ffffffff8ULL
(unsigned long long) $14 = 0x000000010034c140
(lldb) po 0x000000010034c140
NSObject
我们发现对象 object 的 isa 指向 NSObject，但是此 NSObject 和上面的 NSObject 的地址不一样，说明这两个不是一个东西。那么我们接着向上查找。
(lldb) x/gx 0x000000010034c140
0x10034c140: 0x000000010034c0f0
至此，看到 0x000000010034c0f0 是不是很眼熟？ 没错，前面的对象 isa 最终指向就是这个 NSObject: 0x000000010034c0f0
(对象)object -> (Class)NSObject: 0x000000010034c140 -> NSObject: 0x000000010034c0f0 <--> NSObject: 0x000000010034c0f0
我们称 NSObject: 0x000000010034c0f0 为根元类（RootMetaClass）
总结
通过上面的分析，我们可以总结 isa 的指向：
- 对象的
isa指向类 - 类对象的
isa指向元类 - 元类的
isa指向根元类 - 根元类的
isa指向自己
struct objc_class 的结构
- Class isa
objc_class 继承于 objc_object 说明类其实也是一个对象，我们可以叫做类对象。类对象的 isa 执行类对象所属的类
- Class superclass
执行父类的指针，调用方法时如果在如果在自身中查找不到，会通过 superclass 在父类中查找。
- cache_t cache
cache的作用主要是为了优化方法调用的性能。当对象receiver调用方法message时，首先根据对象receiver的isa指针查找到它对应的类，然后在类的methodLists中搜索方法，如果没有找到，就使用super_class指针到父类中的methodLists查找，一旦找到就调用方法。如果没有找到，有可能消息转发，也可能忽略它。但这样查找方式效率太低，因为往往一个类大概只有20%的方法经常被调用，占总调用次数的80%。所以使用Cache来缓存经常调用的方法，当调用方法时，优先在Cache查找，如果没有找到，再到methodLists查找。
- class_data_bits_t bits
根据注释可以看出 bits 中存放的是一个 class_rw_t 指针和 custom rr/alloc 标志位。
注意
在分析和学习的过程中可以使用开源的代码中数据结构，在实际开发的工程的应该使用官方提供的API来进行开发，使用官方提供的API优点在于，如果版本迭代导致数据结构发生的变化，官方提供的API会对其进行兼容，但是自己通过直接内存进行判断可能对出现意想不到的结果，导致程序崩溃。
