iOS - 回顾Objective-C的对象模型
Objective-C对象模型
Objective-C的Runtime是开源的，可以在这里下载，在objc4-532.2以后，苹果把NSObject的实现也开源了
isa 指针
Objective-C是一门面向对象的编程语言。每一个对象都是一个类的实例。在 Objective-C语言的内部，每一个对象都有一个名为isa的指针，指向该对象的类。
打开刚刚下载的源码，在Object.h文件中可以看到Object类，该类拥有isa成员,类型为Class
@interface Object
{
Class isa; /* A pointer to the instance's class structure */
}
同样在objc.h文件中找到Class，并且可以看到 Objective-C中的对象的定义struct objc_object，是的，Objective-C 中的对象本质上是结构体对象，其中 isa 是它唯一的私有成员变量。 如下所示
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
由上可知，Class为objc_class类型的指针，并且还有看到我们熟悉的id指针，因为id是struct objc_object类型的指针，所以id类型可以指向任意对象。
下面看看objc_class结构体，在objc-class.h文件中可以找到定义
/*
* Class Template
*/
struct objc_class {
struct objc_class *isa;
struct objc_class *super_class;
const char *name;
long version;
long info;
long instance_size;
struct objc_ivar_list *ivars;
#if defined(Release3CompatibilityBuild)
struct objc_method_list *methods;
#else
struct objc_method_list **methodLists;
#endif
struct objc_cache *cache;
struct objc_protocol_list *protocols;
};
可以看到objc_class是类模版，即类的定义为struct objc_class，所以 Objective-C中类也是一个结构体对象。
由struct objc_class类的定义，我们可以了解很多东西：
每一个类描述了一系列它的实例的特点，包括：成员变量的列表，成员函数的列表，缓存，协议等。每一个对象都可以接受消息，而对象能够接收的消息列表是保存在它所对应的类中。
元类
在Objective-C 语言中，每一个类实际上也是一个对象。每一个类也有一个名为 isa 的指针。每一个类也可以接受消息，例如：[NSObject alloc]，就是向NSObject这个类发送名为alloc消息。
因为类也是一个对象，那它也必须是另一个类的实列，这个类就是元类 (metaclass)。元类保存了类方法的列表。当一个类方法被调用时，元类会首先查找它本身是否有该类方法的实现，如果没有，则该元类会向它的父类查找该方法，直到一直找到继承链的头。
元类 (metaclass) 也是一个对象，那么元类的 isa 指针又指向哪里呢？所有的元类的isa指针都会指向一个根元类 (root metaclass)。根元类 (root metaclass) 本身的 isa 指针指向自己，这样就行成了一个闭环。
isa 和继承的关系如下图
class.png
可以从图中看出：
-
1、创建一个
OC类其实是创建一个类对－类和元类，类的isa指针指向元类，元类的isa指向根元类，根元类的isa指向它自己，形成闭环，这样保证isa指针永远不会为空，同时这也会使得一个类可以响应NSObject的所有实例方法 -
2、
isa指针指向就是消息传递的方向，如果通过isa指针没找到此消息，则继续通过superClass指针查找，如下图所示。 -
3、类中含有实例方法列表，元类中含有类方法列表；
NSObject元类的superClass指向NSObject实例，所以，理论上给元类发消息，能找到NSObject的实例方法。
类的成员变量
如果把类的实例看成一个C语言的结构体（struct），上面说的isa 指针就是这个结构体的第一个成员变量，而类的其它成员变量依次排列在结构体中
struct objc_class {
struct objc_class *isa;
struct objc_class *super_class;
const char *name;
long version;
long info;
long instance_size;
struct objc_ivar_list *ivars;
#if defined(Release3CompatibilityBuild)
struct objc_method_list *methods;
#else
struct objc_method_list **methodLists;
#endif
struct objc_cache *cache;
struct objc_protocol_list *protocols;
};
从上面的Objective-C对象模型中可以看到，除了isa指针外还有很多其他成员，比如标记父类的super_class , 表示类名的name，version为一个long类型， 应该表示这个对象的版本号，instance_size 应该表示这个类对象大概在内存中占用的大小等。
- ivars
对象中的ivars是指向成员属性列表的指针:
/*
* Instance Variable Template
*/
typedef struct objc_ivar *Ivar;
struct objc_ivar_list {
int ivar_count;
#ifdef __alpha__
int space;
#endif
struct objc_ivar {
char *ivar_name;
char *ivar_type;
int ivar_offset;
#ifdef __alpha__
int space;
#endif
} ivar_list[1]; /* variable length structure */
};
有数量标记ivar_count 、空间标记 space 以及ojbc_ivar
- method_list
对象中的methodList是指向实例变量列表的指针
typedef struct objc_method *Method;
struct objc_method_list {
#if defined(Release3CompatibilityBuild)
struct objc_method_list *method_next;
#else
struct objc_method_list *obsolete;
#endif
int method_count;
#ifdef __alpha__
int space;
#endif
struct objc_method {
SEL method_name;
char *method_types;
IMP method_imp;
} method_list[1]; /* variable length structure */
};
obsolete根据名字来猜，指向废弃的函数列表，method_count是函数个数，space为空间大小，然后objc_method中有函数选择器method_name， 描述类型（包含参数类型以及返回值类型）的字符串method_types以及函数指针method_imp 。
- Cache
对象中的cache对象类型为objc_cache的结构体
typedef struct objc_cache * Cache;
struct objc_cache {
unsigned int mask; /* total = mask + 1 */
unsigned int occupied;
Method buckets[1];
};
Cache为方法调用的性能进行优化，通俗地讲，每当实例对象接收到一个消息时，它不会直接在 isa指向的类的方法列表中遍历查找能够响应消息的方法，因为这样效率太低了，而是优先在 Cache中查找。 Runtime系统会把被调用的方法存到Cache中（理论上讲一个方法如果被调用，那么它有可能今后还会被调用），这样下次查找的时候效率更高。
- Protocol
对象中的protocols表示遵循的协议列表
@class Protocol;
struct objc_protocol_list {
struct objc_protocol_list *next;
int count;
Protocol *list[1];
};
指向下一个协议列表的指针next ，表示协议个数的count以及协议列表 list[1],
可变与不可变
因为对象在内存中的排布可以看成一个结构体，该结构体的大小并不能动态变化。所以无法在运行时动态给对象增加成员变量。
相对的，对象的方法定义都保存在类的可变区域中。方法的定义列表是一个名为methodLists的指针的指针（如下图所示）。通过修改该指针指向的指针的值，就可以实现动态地为某一个类增加成员方法。这也是Category实现的原理。同时也说明了为什么Category只可为对象增加成员方法，却不能增加成员变量。
屏幕快照 2019-05-07 下午3.10.10.png
注意，通过objc_setAssociatedObject和 objc_getAssociatedObject方法可以变相地给对象增加成员变量，但由于实现机制不一样，所以并不是真正改变了对象的内存结构。
除了对象的方法可以动态修改，因为isa本身也只是一个指针，所以我们也可以在运行时动态地修改isa指针的值，达到替换对象整个行为的目的。不过该应用场景较少。
