iOS底层原理总结 - 探寻Class的本质

2019-08-16 本文已影响10人一意孤行的程序猿

iOS底层原理总结 - 探寻Class的本质

对小码哥底层班视频学习的总结与记录。面试题部分，通过对面试题的分析探索问题的本质内容。
上接 iOS底层原理总结 - 探寻OC对象的本质

Class的本质

我们知道不管是类对象还是元类对象，类型都是Class，class和mete-class的底层都是objc_class结构体的指针，内存中就是结构体，本章来探寻Class的本质。

Class objectClass = [NSObject class];        
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);

点击Class来到内部，我们可以发现

typedef struct objc_class *Class;

Class对象其实是一个指向objc_class结构体的指针。因此我们可以说类对象或元类对象在内存中其实就是objc_class结构体。

我们来到objc_class内部，可以看到这段在底层原理中经常出现的代码。

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;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

这部分代码相信在文章中很常见，但是OBJC2_UNAVAILABLE;说明这些代码已经不在使用了。那么目前objc_class的结构是什么样的呢？我们通过objc源码中去查找objc_class结构体的内容。

部分objc_class代码内容

我们发现这个结构体继承 objc_object 并且结构体内有一些函数，因为这是c++结构体，在c上做了扩展，因此结构体中可以包含函数。我们来到objc_object内，截取部分代码

objc_object内部分代码

我们发现objc_object中有一个isa指针，那么objc_class继承objc_object，也就同样拥有一个isa指针

那么我们之前了解到的，类中存储的类的成员变量信息，实例方法，属性名等这些信息在哪里呢。我们来到class_rw_t中，截取部分代码，我们发现class_rw_t中存储着方法列表，属性列表，协议列表等内容。

class_rw_t部分代码

而class_rw_t是通过bits调用data方法得来的，我们来到data方法内部实现。我们可以看到，data函数内部仅仅对bits进行&FAST_DATA_MASK操作

data方法内部实现

而成员变量信息则是存储在class_ro_t内部中的，我们来到class_ro_t内查看。

class_ro_t内部代码

最后总结通过一张图进行总结

窥探struct objc_class的结构

如何证明上述内容是正确的。

我们可以自定义一个结构体，如果我们自己写的结构和objc_class真实结构是一样的，那么当我们强制转化的时候，就会一一对应的赋值。此时我们就可以拿到结构体内部的信息。

下列代码是我们仿照objc_class结构体，提取其中需要使用到的信息，自定义的一个结构体。

#import <Foundation/Foundation.h>

#ifndef XXClassInfo_h
#define XXClassInfo_h

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
# endif

#if __LP64__
typedef uint32_t mask_t;
#else
typedef uint16_t mask_t;
#endif
typedef uintptr_t cache_key_t;

struct bucket_t {
    cache_key_t _key;
    IMP _imp;
};

struct cache_t {
    bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;
};

struct entsize_list_tt {
    uint32_t entsizeAndFlags;
    uint32_t count;
};

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
};

struct method_list_t : entsize_list_tt {
    method_t first;
};

struct ivar_t {
    int32_t *offset;
    const char *name;
    const char *type;
    uint32_t alignment_raw;
    uint32_t size;
};

struct ivar_list_t : entsize_list_tt {
    ivar_t first;
};

struct property_t {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

struct property_list_t : entsize_list_tt {
    property_t first;
};

struct chained_property_list {
    chained_property_list *next;
    uint32_t count;
    property_t list[0];
};

typedef uintptr_t protocol_ref_t;
struct protocol_list_t {
    uintptr_t count;
    protocol_ref_t list[0];
};

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;  // instance对象占用的内存空间
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif
    const uint8_t * ivarLayout;
    const char * name;  // 类名
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;  // 成员变量列表
    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;
};

struct class_rw_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t version;
    const class_ro_t *ro;
    method_list_t * methods;    // 方法列表
    property_list_t *properties;    // 属性列表
    const protocol_list_t * protocols;  // 协议列表
    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;
    char *demangledName;
};

#define FAST_DATA_MASK          0x00007ffffffffff8UL
struct class_data_bits_t {
    uintptr_t bits;
public:
    class_rw_t* data() { // 提供data()方法进行 & FAST_DATA_MASK 操作
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
};

/* OC对象 */
struct xx_objc_object {
    void *isa;
};

/* 类对象 */
struct xx_objc_class : xx_objc_object {
    Class superclass;
    cache_t cache;
    class_data_bits_t bits;
public:
    class_rw_t* data() {
        return bits.data();
    }

    xx_objc_class* metaClass() { // 提供metaClass函数，获取元类对象
// 上一篇我们讲解过，isa指针需要经过一次 & ISA_MASK操作之后才得到真正的地址
        return (xx_objc_class *)((long long)isa & ISA_MASK);
    }
};

#endif /* XXClassInfo_h */

接下来我们将自己定义的类强制转化为我们自定义的精简的class结构体类型。

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
#import "XXClassInfo.h"

/* Person */
@interface Person : NSObject <NSCopying>
{
    @public
    int _age;
}
@property (nonatomic, assign) int height;
- (void)personMethod;
+ (void)personClassMethod;
@end

@implementation Person
- (void)personMethod {}
+ (void)personClassMethod {}
@end

/* Student */
@interface Student : Person <NSCoding>
{
    @public
    int _no;
}

@property (nonatomic, assign) int score;
- (void)studentMethod;
+ (void)studentClassMethod;
@end

@implementation Student
- (void)studentMethod {}
+ (void)studentClassMethod {}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
        Person *person = [[Person alloc] init];
        Student *student = [[Student alloc] init];

        xx_objc_class *objectClass = (__bridge xx_objc_class *)[object class];
        xx_objc_class *personClass = (__bridge xx_objc_class *)[person class];
        xx_objc_class *studentClass = (__bridge xx_objc_class *)[student class];

        xx_objc_class *objectMetaClass = objectClass->metaClass();
        xx_objc_class *personMetaClass = personClass->metaClass();
        xx_objc_class *studentMetaClass = studentClass->metaClass();

        class_rw_t *objectClassData = objectClass->data();
        class_rw_t *personClassData = personClass->data();
        class_rw_t *studentClassData = studentClass->data();

        class_rw_t *objectMetaClassData = objectMetaClass->data();
        class_rw_t *personMetaClassData = personMetaClass->data();
        class_rw_t *studentMetaClassData = studentMetaClass->data();

        // 0x00007ffffffffff8
        NSLog(@"%p %p %p %p %p %p",  objectClassData, personClassData, studentClassData,
              objectMetaClassData, personMetaClassData, studentMetaClassData);

    return 0;
}

通过打断点，我们可以看到class内部信息。

至此，我们再次拿出那张经典的图，挨个分析图中isa指针和superclass指针的指向

isa、superclass指向图

instance对象

首先我们来看instance对象，我们通过上一篇文章知道，instance对象中存储着isa指针和其他成员变量，并且instance对象的isa指针是指向其类对象地址的。我们首先分析上述代码中我们创建的object，person，student三个instance对象与其相对应的类对象objectClass，personClass，studentClass。

instance对象分析

从上图中我们可以发现instance对象中确实存储了isa指针和其成员变量，同时将instance对象的isa指针经过&运算之后计算出的地址确实是其相应类对象的内存地址。由此我们证明isa，superclass指向图中的1，2，3号线。

class对象

接着我们来看class对象，同样通过上一篇文章，我们明确class对象中存储着isa指针，superclass指针，以及类的属性信息，类的成员变量信息，类的对象方法，和类的协议信息，而通过上面对object源码的分析，我们知道这些信息存储在class对象的class_rw_t中，我们通过强制转化来窥探其中的内容。如下图

personClassData内结构

上图中我们通过模拟对person类对象调用.data函数，即对bits进行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)运算，并转化为class_rw_t。即上图中的personClassData。其中我们发现成员变量信息，对象方法，属性等信息只显示first第一个，如果想要拿到更多的需要通过代码将指针后移获取。而上图中的instaceSize = 16也同person对象中isa指针8个字节+_age4个字节+_height4个字节相对应起来。这里不在展开对objectClassData及studentClassData进行分析，基本内容同personClassData相同。

那么类对象中的isa指针和superclass指针的指向是否如那张经典的图示呢？我们来验证一下。

类对象的isa指针和superclass指针指向

通过上图中的内存地址的分析，由此我们证明isa，superclass指向图中，isa指针的4，5，6号线，以及superclass指针的10，11，12号线。

meta-class对象

最后我们来看meta-class元类对象，上文提到meta-class中存储着isa指针，superclass指针，以及类的类方法信息。同时我们知道meta-class元类对象与class类对象，具有相同的结构，只不过存储的信息不同，并且元类对象的isa指针指向基类的元类对象，基类的元类对象的isa指针指向自己。元类对象的superclass指针指向其父类的元类对象，基类的元类对象的superclass指针指向其类对象。

与class对象相同，我们同样通过模拟对person元类对象调用.data函数，即对bits进行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)运算，并转化为class_rw_t。