iOS底层原理笔记：OC的类和对象、isa指针和消息传递

平时看到过一些关于Objective-C的底层的文章和书籍，在这记录一下一些重要的知识点。

一、本质

在runtime库中，对象是用C语言中的结构体表示的，用C/C++和汇编编写实现的。

Objective-C --> C/C++ --> 汇编语言 --> 机器语言

在Xcode中一层一层点到NSObject的内部实现时候，会看到它是由Class结构体来实现的：

Class isa其实就是一个objc_class结构体指针：

objc_class的结构体内容如下：

• isa：对象需要通过isa指针找到它的类，类需要通过isa找到它的元类。
• super_class：指向该类的父类，如果是最顶层的类，则其是nil。
• cache：用于缓存类中最近使用的方法。（查找方法时先看cache里有没有再去methodLists找，因为如果多个方法只有一个被调用，每次遍历list效率低）
• ivars：指向该类的成员变量链表。
• methodLists：指向方法定义的链表。
• protocols：指向协议链表。

二、内存大小

从上面NSObject的内部实现看，它只有一个isa指针，而指针在64位架构中占8个字节。也就是说NSObjcet实际上是只有一个名为isa的指针的结构体，因此占用一个指针变量所占用的内存空间大小，如果64bit占用8个字节，如果32bit占用4个字节。

• 如果是NSObject的子类，增加了属性，比如两个int类型，isa指针8个字节+int类型4个字节+int类型4个字节共16个字节。
• 如果是NSObject的子类只增加了一个int类型属性，则8+4是12个字节，但实际上是占用了16个字节。

原因是编译器在给结构体开辟空间时，首先找到结构体中最宽的基本数据类型，然后寻找内存地址能是该基本数据类型的整倍的位置，作为结构体的首地址。将这个最宽的基本数据类型的大小作为对齐模数。为结构体的一个成员开辟空间之前，编译器首先检查预开辟空间的首地址相对于结构体首地址的偏移是否是本成员的整数倍，若是则存放本成员，反之则在本成员和上一个成员之间填充一定的字节，以达到整数倍的要求，也就是将预开辟空间的首地址后移几个字节。

内存对齐为两个原则：
原则 1. 前面的地址必须是后面的地址正数倍,不是就补齐。
原则 2. 整个Struct的地址必须是最大字节的整数倍。

所以对于上面第二个情况不满足原则2，应该需要补齐4个字节，所以也是18个字节。

三、属性和方法的存放

在iOS的环境中一共有三种对象：instance对象（实例对象）、class对象（类对象）和meta-class对象（元类对象）。

1、instance对象就是通过类alloc出来的对象，每次调用alloc都会产生新的instance对象，不同的对象占用不同的内存，instance对象在内存中存储的信息包括isa指针和其他成员变量。instance对象的isa指针指向class对象。

2、我们通过class方法或runtime方法得到一个class对象。class对象也就是类对象，每一个类在内存中有且只有一个class对象。class对象的isa指针指向meta-class对象。class对象在内存中存储的信息主要包括：

• isa指针
• superclass指针
• 类的属性信息（@property），类的成员变量信息（ivar）
• 类的对象方法信息（instance method），类的协议信息（protocol）

3、每个类在内存中有且只有一个meta-class对象。meta-class对象和class对象的内存结构是一样的，但是用途不一样。meta-class对象的isa指针指向基类的meta-class对象，基类自己的isa指针也指向自己。在内存中存储的信息主要包括：

• isa指针
• superclass指针
• 类的类方法的信息（class method）

所以，成员变量的具体值存放在instance对象。对象方法，协议，属性，成员变量信息存放在class对象。类方法信息存放在meta-class对象。对象、类、父类和基类的关系如下图所示：

对isa、superclass总结:

• instance的isa指向class
• class的isa指向meta-class
• meta-class的isa指向基类的meta-class，基类的isa指向自己
• class的superclass指向父类的class，如果没有父类，superclass指针为nil
• meta-class的superclass指向父类的meta-class，基类的meta-class的superclass指向基类的class
• instance调用对象方法的轨迹，isa找到class，方法不存在，就通过superclass找父类
• class调用类方法的轨迹，isa找meta-class，方法不存在，就通过superclass找父类

四、消息传递

根据上述对象、类、父类和基类的关系，消息的传递机制大题如下：

系统首先找到消息的接收对象，然后通过对象的isa找到它的类。在它的类中先查找cache再查找method_list，是否有selector方法。没有则查找父类super_class的method_list。SEL实际上是根据方法名Hash转换的一个字符串，找到对应的method，执行它的IMP。