Objective-C的底层实现（类与对象）
概述
对象
Objective-C中，类和对象的底层数据结构，可以参考Objective-C底层数据结构。
其中对象是通过struct objc_object结构实现
typedef struct objc_object *id;
创建一个Son类继承自Father类，Father类继承自Grandfather类；这样的对象在运行时候，会产生如下图的结构形式
我们把这个转换成种更容易理解的数据组织形式
真正的内存形式是这样的
从对象内存形式上来看，对象内的变量成员，是从祖类继承而来（子成父业啊），在对象内部生成副本。从对象的内存组织来看，对象本身并不关心行为（对象的方法或实例方法），重点都在数据的组织上。
对象中的isa指针
对象的都有一个
isa实例变量，它是从继承层次最高的NSObject继承而来，isa是表示对象的关键。在Objective-C中，是不是第一等对象，isa就是其标志，就好像汽车都有一个标识符号一样，看到这个标识就能想到是什么品牌的车了。
isa是一个指针，指向了该对象的类。实质上，同一个类的实例，都指向同一个类对象（类也是一种特殊对象）。类中包含了实例方法，也就是说，同一个类的所有实例共用了这些实例方法。消息就是发送给对象，对象转交给其isa指向类去处理，这种现象类似于当下火热的云计算。
Objective-C的这种设计，既可以友好地实现面向对象，又可以有效地节约内存。降低冗余数据，对象对方法的调用是通过isa间接去调用，这样就造成了方法调用的动态性，主要原因是:
- 1、一个对象并不晓得它能否应答一个方法，它本身既不包含方法的实现，也不包含有方法的指针，而是间接通过isa转到自己的类才能知道。
- 2、类中的实例方法是以链表形式存在，运行时候，可以修改链表中的实例方法，即可以增删改查，这与C中的函数默认都是extern的不同。
从上面的分析，isa的意义就更加重大，倘若没有isa，一个对象就跟char、int类型等没啥区别了，不具备回应消息的本领。所以，isa是什么，就好比是古时候官员的乌纱帽，有乌纱帽,就有权力，乌纱帽没了，就是凡夫俗子。
类
类是通过struct objc_class结构实现的
typedef struct objc_class *Class;
在运行时，将会产生如下图这样的结构
在Objective-C的世界里，一看到isa的第一个反应就是，咦，对象！是的，Objective-C中的类其实也是一种对象。
既然天地生的万物，那么天地又是何物？如果人类是上古神仙女娲所造,那女娲又因何而生呢？一般程序语言，对象的尽头都是自己生了自己。自己下个蛋，爬出来了自己，似乎是悖逆的，但确实如此。作为根类的NSObject就是这样一个家伙！这看起来确实很困惑，但是譬如生物学中的造血干细胞可谓细胞的制造厂，但是造血干细胞又是谁制造的呢，咦，也是造血干细胞。
首先，类对象也是一种对象，那么它也会有自己的行为，这种行为称作类方法。与一般的类实例一样，类对象也不具备处理类方法的能力，也是要借助isa找到它所属的类，既元类，去调用类方法，类对象本身也是专注于数据的存储和布局形式；可参考类和元类。
但与常规的类实例不同，一般而言类对象的字段是固定的。即它默认情况下总是包含isa、super_class、name、version、info、instance_size、ivars、methodLists、cache、protocols。
一个类的数据形式会是如下
而它的数据在内存中的组织形式也是线性的
我们知道，在Objective-C中，我们一般的定义形式是声明一个类的实例变量、属性、实例方法和类方法。并不能声明类变量，所以一般而言类对象的数据形式就是如上图的那些固定的字段。除了我们介绍的isa，剩余的字段的含义如下:
| 字段名 | 含义 |
| ----:---- | ----:---- |
| super_class | 指向父类的指针。因为Objective-C借鉴了SimTALK，在类的继承实现上，是通过一条继承链实现的。super_class就是整个继承链的核心字段 |
| name | 类的名字 |
| version | 版本 |
| info | 信息 |
| instance_size | 实例的内存大小 |
| ivars | 是一个指向实例变量列表的指针 |
| methodLists | 是一个指向实例方法列表的指针 |
| cache | 缓存了常用的实例方法 |
| protocols | 是一个指向协议列表的指针 |
我们可以这样简单地去解释运行时的Objective-C的数据结构的含义
- 1.对象与实例变量有关,对象自身存储着实例变量
- 2.类对象与实例方法有关,实例方法必须通过类对象才能知晓
- 3.元类与类方法有关, 类方法必须通过元类才能知晓
运行时的类和对象
运行时的类和对象如下图
一般而言
- 1.isa关于对象是什么类
- 2.super_class关于继承链
- 3.所有元类都有同样的元类,因为他们的isa都指向同一个根元类
苹果已经将代码开源了，我们可以从：ObjC runtime 浏览源代码，或点此下载源代码。
从哪里入手呢？那当然是最基本的类与对象。与C++相比，ObjC中的类与对象结构要简洁与一致得多（参考《深度探索C++对象模型》，你就知道C++中类与对象结构的复杂）。本文将详细讲解ObjC中类与对象的结构，下回将讲如何在runtime时操作类。
我们可以在/usr/include/objc/objc.h和runtime.h中找到对class与object的定义：
typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object {
Class isa;
} *id;
Class是一个objc_class结构类型的指针；而id（任意对象）是一个objc_object结构类型的指针，其第一个成员是一个objc_class结构类型的指针。注意这里有一关键的引申解读：内存布局以一个objc_class指针为开始的所有东东都可以当做一个object来对待！那objc_class又是怎样一个结构体呢？且看：
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;
struct objc_method_list** methodLists;
struct objc_cache* cache;
struct objc_protocol_list* protocols;
};
objc_class结构体的各成员介绍如下：
isa：是一个objc_class类型的指针，看到这里，想起我前面的引申解读了没？内存布局以一个objc_class指针为开始的所有东东都可以当做一个object来对待！这 就是说objc_class或者说类其实也可以当做一个objc_object对象来对待！对象是对象，类也是对象，是不是有点混淆？别急，ObjC发明（or重用）了一个术语来区分这两种不同的对象：类对象（class object）与实例对象（instance object）。OK，名称混淆的问题解决，下面我将使用这两个术语来区分不同的对象，而使用“对象”这一术语来泛指所有的对象。ObjC还对类对象与实例对象中的isa所指向的类结构作了不同的命名：类对象中的isa指向类结构被称作metaclass，metaclass存储类的static类成员变量与static类成员方法（+开头的方法）；实例对象中的isa指向类结构称作class（普通的），class结构存储类的普通成员变量与普通成员方法（-开头的方法）。
super_class：一看就明白，指向该类的父类呗！如果该类已经是最顶层的根类（如NSObject或NSProxy），那么super_class就为NULL。
好，先中断一下其他类结构成员的介绍，让我们理清一下在继承层次中，子类、父类、根类（这些都是普通 class）以及其对应的metaclass的isa与super_class之间关系:
规则一：类的实例对象的isa指向该类；该类的isa指向该类的metaclass；
规则二：类的super_class指向其父类，如果该类为根类则值为NULL；
规则三：metaclass的isa指向根metaclass，如果该metaclass是根metaclass则指向自身；
规则四：metaclass的super_class指向父metaclass，如果该metaclass是根metaclass则指向该metaclass对应的类；
好吧，文字总是那么乏力，有图有真相！
那么class与metaclass有什么区别呢？class是instance object的类类型。当我们向实例对象发送消息（实例方法）时，我们在该实例对象的class结构的methodlists中去查找响应的函数，如果没找到匹配的响应函数则在该class的父类中的methodlists去查找（查找链为上图的中间那一排）。如下面的代码中，向string实例对象发送lowercaseString消息，会在NSString类结构的methodlists中去查找lowercaseString的响应函数。
NSString * string;
[string lowercaseString];
metaclass是class object的类类型。当我们向类对象发送消息（类方法）时，我们在该类对象的metaclass结构的methodlists中去查找响应的函数，如果没有找到匹配的响应函数则在该metaclass的父类中的methodlists去查找（查找链为上图的最右边那一排）。如下面的代码中，向NSString类对象发送stringWithString消息，会在NSString的metaclass类结构的methodlists中去查找stringWithString的响应函数。
[NSString stringWithString:@"string"];
好，至此我们明白了类的结构层次，让我们接着看类结构中的其他成员。
name：一个C字符串，指示类的名称。我们可以在运行期，通过这个名称查找到该类(通过：id objc_getClass(const char *aClassName))或该类的metaclass(id objc_getMetaClass(const char *aClassName))；
version：类的版本信息，默认初始化为0。我们可以在运行期对其进行修改（class_setVersion）或获取（class_getVersion）。
info：供运行期使用的一些位标识。有如下一些位掩码：
CLS_CLASS (0x1L) 表示该类为普通 class ，其中包含实例方法和变量；
CLS_META (0x2L) 表示该类为 metaclass，其中包含类方法；
CLS_INITIALIZED (0x4L) 表示该类已经被运行期初始化了，这个标识位只被 objc_addClass 所设置；
CLS_POSING (0x8L) 表示该类被 pose 成其他的类；（poseclass 在ObjC 2.0中被废弃了）；
CLS_MAPPED (0x10L) 为ObjC运行期所使用
CLS_FLUSH_CACHE (0x20L) 为ObjC运行期所使用
CLS_GROW_CACHE (0x40L) 为ObjC运行期所使用
CLS_NEED_BIND (0x80L) 为ObjC运行期所使用
CLS_METHOD_ARRAY (0x100L) 该标志位指示 methodlists 是指向一个 objc_method_list 还是一个包含objc_method_list 指针的数组；
instance_size：该类的实例变量大小（包括从父类继承下来的实例变量）；
ivars：指向objc_ivar_list的指针，存储每个实例变量的内存地址，如果该类没有任何实例变量则为NULL；
methodLists：与info的一些标志位有关，CLS_METHOD_ARRAY标识位决定其指向的东西（是指向单个objc_method_list还是一个objc_method_list指针数组），如果info设置了CLS_CLASS则objc_method_list存储实例方法，如果设置的是CLS_META则存储类方法；
cache：指向objc_cache的指针，用来缓存最近使用的方法，以提高效率；
protocols：指向objc_protocol_list的指针，存储该类声明要遵守的正式协议。
总结：
ObjC为每个类的定义生成两个objc_class，一个即普通的class，另一个即metaclass。我们可以在运行期创建这两个objc_class数据结构，然后使用objc_addClass动态地创建新的类定义。这个够动态够强大的吧？下回讲演示如何在运行期动态创建新类。
参考
- Objective-C底层数据结构
- 类和元类
