iOS底层原理04 - 类的结构

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0. 补充：内存平移

在看类的结构之前，先了解一下什么是内存平移。

int a[4] = {1, 2, 3, 4};
NSLog(@"&a=%p, &a[0]=%p, &a[1]=%p", &a, &a[0], &a[1]);
// 打印结果：
// &a=0x7ffeefbff460, &a[0]=0x7ffeefbff460, &a[1]=0x7ffeefbff464

NSString *b[4] = {@"1", @"2", @"3", @"4"};
NSLog(@"&b=%p, &b[0]=%p, &b[1]=%p", &b, &b[0], &b[1]);
// 打印结果：    
// &b=0x7ffeefbff440, &b[0]=0x7ffeefbff440, &b[1]=0x7ffeefbff448

通过打印结果可以看出：

a、b的首地址和第一个元素的指针地址是一致的
a的第二个元素与第一个元素地址之前相差4个字节，即int类型所占内存；b的第二个元素与第一个元素相差8字节，即string类型所占内存。

有了这个规律，我们可以通过内存平移，即：首地址+偏移量来访问数组中的其它元素：

1. 准备工作

从GitHub下载可编译的objc4-818.2源码
准备一个类的代码，包含实例方法、类方法、属性、成员变量:

@interface GLPerson : NSObject
{
    NSString *age;
}
@property (nonatomic, strong) NSString *myName;

- (void)sayHi;
+ (void)jump;

@end

2. LLDB调试查看对象和类的内存情况

对象的内存

先创建一个person实例对象，并断点调试

// ISA_MASK = 0x00007ffffffffff8ULL
GLPerson *person = [GLPerson alloc];
person.name = @"Olive";
NSLog(@"person = %p", person);

通过lldb打印person对象的4段内存情况：

(lldb) x/4gx person
0x10140ede0: 0x011d80010000822d 0x0000000000000000
0x10140edf0: 0x00000001000041e0 0x0000000000000000

(lldb) po 0x011d80010000822d & 0x00007ffffffffff8ULL
GLPerson

(lldb) p/x 0x011d80010000822d & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $3 = 0x0000000100008228

用对象第一段地址0x011d80010000822d也就是isa和ISA_MASK进行与操作，可以得到isa中存储的类信息 $3
这里我们可以验证下$3却是就是GLPerson的类信息：

(lldb) p/x GLPerson.class
(Class) $8 = 0x0000000100008228 GLPerson

我们继续对打印$3也就是GLPerson类的内存情况：

(lldb) x/4gx $3
0x100008228: 0x0000000100008250 0x000000010036a140
0x100008238: 0x0000000101230500 0x000880240000000f

(lldb) po 0x0000000100008250
GLPerson

GLPerson类的isa打印仍然是GLPerson？我们继续探究0x0000000100008250

(lldb) x/4gx 0x0000000100008250
0x100008250: 0x000000010036a0f0 0x000000010036a0f0
0x100008260: 0x0000000101231180 0x0001e03500000007
(lldb) po 0x000000010036a0f0
NSObject

(lldb) x/4gx 0x000000010036a0f0
0x10036a0f0: 0x000000010036a0f0 0x000000010036a140
0x10036a100: 0x0000000100648100 0x0003e03100000007

通过一步步打印内存，发现0x0000000100008250的isa指向了NSObject，而继续打印0x000000010036a0f0的内存，发现其isa仍是自己。
其实在上述步骤中的0x0000000100008228和0x0000000100008250都打印为GLPerson，但他们并不是一个东西，前者为GLPerson类，后者为其根元类。

通过上面的lldb调试分析，也就印证了一副经典的isa走位图：

isa流程图

对象的isa指向类，类的isa指向元类，元类的isa指向根元类，根元类的isa指向自己。
更通俗点，放到当前案例中就是:

isa走位案例

3. 类的结构

从上面isa走位看出，一切对象最终都会指向NSObject，那么类的结构究竟是怎样的呢？我们类中定义的属性、方法又存储在哪里？

在上一节对象的本质与isa中通过clang编译.cpp文件查看对象结构时发现，最终都来自于一个NSObject_IMPL结构体，其中的Class是以objc_class结构体为模板创建的。

struct NSObject_IMPL {
    __unsafe_unretained Class isa;
};

typedef struct objc_class *Class;

objc_class

打开objc4-818.2源码查看objc_class结构:

struct objc_class : objc_object {
  objc_class(const objc_class&) = delete;
  objc_class(objc_class&&) = delete;
  void operator=(const objc_class&) = delete;
  void operator=(objc_class&&) = delete;
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable         // 16字节
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
    Class getSuperclass() const {
    ...
    }
    void setSuperclass(Class newSuperclass) {
    ...
    }
    class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }
    
    ......省略n行代码
}

objc_class其实是继承自objc_object，在早期的版本中，isa是直接定义在objc_class结构体中的，但现在已经被注释了，其实isa是来自父类objc_object中：

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

整体关系图：

结构分析

class_data_bits_t

我们可以通过类的首地址+偏移量访问bits，偏移量的大小为isa 8字节+superclass 8字节+cache 16字节，即首地址通过地址平移32字节。

(lldb) x/4gx $3
0x100008228: 0x0000000100008250 0x000000010036a140
0x100008238: 0x0000000101230500 0x000880240000000f

上面例子中$3的首地址0x100008228平移32字节后为0x100008248，通过类型强转得到:

// 地址平移得到class_data_bits_t
(lldb) p (class_data_bits_t *)0x100008248
(class_data_bits_t *) $4 = 0x0000000100008248

class_rw_t

获取到class_data_bits_t的指针地址$4后，可以通过``中提供的data()方法，直接读取bits中的data数据：

// 获取bits中的class_rw_t数据
(lldb) p $4->data()
(class_rw_t *) $5 = 0x00000001007060a0

// 输出class_rw_t
(lldb) p *$5
(class_rw_t) $6 = {
  flags = 2148007936
  witness = 1
  ro_or_rw_ext = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = {
      Value = 4295000144
    }
  }
  firstSubclass = nil
  nextSiblingClass = NSUUID
}

从上面$6指针的打印中不能明显看出些什么，我们跳转进入class_rw_t结构体，看到里面有几个核心的方法：

class_rw_t

通过上面几个方法的命名，可以猜测后几3个是用来获取方法列表、属性列表、协议列表的，同样通过lldb验证:

(lldb) p $6.methods()
(const method_array_t) $7 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t, method_list_t_authed_ptr> = {
     = {
      list = {
        ptr = 0x0000000100008098
      }
      arrayAndFlag = 4295000216
    }
  }
}

(lldb) p $7.list
(const method_list_t_authed_ptr<method_list_t>) $8 = {
  ptr = 0x0000000100008098
}

(lldb) p $9.ptr
(method_list_t *const) $10 = 0x0000000100008098

(lldb) p *$10
(method_list_t) $11 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 4294901763, method_t::pointer_modifier> = (entsizeAndFlags = 27, count = 6)
}
// 打印method_list_t中方法个数
(lldb) p $11.count
(uint32_t) $12 = 4

(lldb) p $11.get(0).name()
(SEL) $12 = "sayHi"
(lldb) p $11.get(1).name()
(SEL) $13 = "name"
(lldb) p $11.get(2).name()
(SEL) $14 = ".cxx_destruct"
(lldb) p $11.get(3).name()
(SEL) $15 = "setName:"

method_list_t继承则entsize_list_tt，可以通过count属性获得$10中方法数量为4，以及通过get(n)方法来依次打印它们。

从上面可以看到，实例方法、属性的setter、getter方法、cxx_destruct都存储在rw的methods当中。但是一开始我们创建的【类方法】+ (void)jump并没有输出。

我们用类似的方法再去打印属性列表properties:

(lldb) p $6.properties()
(const property_array_t) $16 = {
  list_array_tt<property_t, property_list_t, RawPtr> = {
     = {
      list = {
        ptr = 0x00000001000081a0
      }
      arrayAndFlag = 4295000480
    }
  }
}
(lldb) p $16.list
(const RawPtr<property_list_t>) $17 = {
  ptr = 0x00000001000081a0
}
(lldb) p $17.ptr
(property_list_t *const) $18 = 0x00000001000081a0
(lldb) p *$18
(property_list_t) $19 = {
  entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0, PointerModifierNop> = (entsizeAndFlags = 16, count = 1)
}
(lldb) p $19.count
(uint32_t) $20 = 1
(lldb) p $19.get(0)
(property_t) $21 = (name = "name", attributes = "T@\"NSString\",&,N,V_name")

打印得到rw的properties中存储了类的属性，但成员变量NSString *age;并不在里面。那成员变量会存储在哪呢?

class_ro_t

在class_rw_t中还有一个class_ro_t没有验证，我们来看一下:

(lldb) p $3.ro()
(const class_ro_t *) $22 = 0x00000001000080a8
(lldb) p *$22
(const class_ro_t) $23 = {
  flags = 388
  instanceStart = 8
  instanceSize = 24
  reserved = 0
   = {
    ivarLayout = 0x0000000100003f70 "\U00000002"
    nonMetaclass = 0x0000000100003f70
  }
  name = {
    std::__1::atomic<const char *> = "GLPerson" {
      Value = 0x0000000100003f67 "GLPerson"
    }
  }
  baseMethodList = 0x00000001000080f0
  baseProtocols = nil
  ivars = 0x0000000100008158
  weakIvarLayout = 0x0000000000000000
  baseProperties = 0x00000001000081a0
  _swiftMetadataInitializer_NEVER_USE = {}
}

class_ro_t中有个ivars字段：

(lldb) p $23.ivars
(const ivar_list_t *const) $24 = 0x0000000100008158
(lldb) p *$24
(const ivar_list_t) $25 = {
  entsize_list_tt<ivar_t, ivar_list_t, 0, PointerModifierNop> = (entsizeAndFlags = 32, count = 2)
}

(lldb) p $25.get(0)
(ivar_t) $26 = {
  offset = 0x00000001000081d0
  name = 0x0000000100003e90 "age"
  type = 0x0000000100003f7a "@\"NSString\""
  alignment_raw = 3
  size = 8
}
(lldb) p $25.get(1)
(ivar_t) $27 = {
  offset = 0x00000001000081d8
  name = 0x0000000100003e94 "_name"
  type = 0x0000000100003f7a "@\"NSString\""
  alignment_raw = 3
  size = 8
}

ivar_list_t继承自entsize_list_tt，可以用get(n)方法来获取列表中的值，也就是成功的读取到了age和属性name生成的成员变量_name。

最后在看一下刚刚没有获取到的类方法存储在哪里。

类方法的存储

类的isa指向元类，我们来获取元类的内存信息：

我们拿到了元类的首地址0x1000081e0，对此来进行地址平移读取class_data_bits_t、rw数据：

// 首地址 0x1000081e0 平移32位得到 0x100008200
(lldb) p (class_data_bits_t *)0x100008200
(class_data_bits_t *) $3 = 0x0000000100008200

// 读取class_rw_t
(lldb) p $3->data()
(class_rw_t *) $5 = 0x000000010073fd00
(lldb) p *$5
(class_rw_t) $6 = {
  flags = 2684878849
  witness = 1
  ro_or_rw_ext = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = {
      Value = 4302569489
    }
  }
  firstSubclass = nil
  nextSiblingClass = 0x00007fff80170eb0
}
(lldb) p $6.methods()
(const method_array_t) $7 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t, method_list_t_authed_ptr> = {
     = {
      list = {
        ptr = 0x0000000100008088
      }
      arrayAndFlag = 4295000200
    }
  }
}
(lldb) p $7.list
(const method_list_t_authed_ptr<method_list_t>) $8 = {
  ptr = 0x0000000100008088
}
(lldb) p $8.ptr
(method_list_t *const) $9 = 0x0000000100008088
(lldb) p *$9
(method_list_t) $10 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 4294901763, method_t::pointer_modifier> = (entsizeAndFlags = 27, count = 1)
}
(lldb) p $10.get(0).name()
(SEL) $12 = "jump"

最终在rw的method中读取到了GLPerson中的类方法+ (void)jump;。

所以一个类的类方法，是已对象方法存储在其元类的class_rw_t中。

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