深入理解OC中的对象
大纲
- oc中对象的本质是什么
- 创建一个对象占用多少内存
- alloc和init分别是如何工作的
- 如何定位到官方源码库
- alloc 的三部曲
- 对象的种类有哪些
- 实例对象（instance-class）
- 类对象 （class）
- 元类对象 （meta-class）
- isa 指针
- 后续有时间会继续补充内容
OC中对象的本质
开发中编写的oc代码会先编译成c/c++,然后成汇编最后转成机器语言，oc→c/c++→汇编→机器语言。我们用创建一个main.m文件定义一个类CWObject：
interface CWObject: NSObject{}
@end
@implementation CWObject
@end
调用命令行xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m，将其编译成c/c++代码main.cpp.
struct CWObject_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
};
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
可以看到OC中的CWObject在main.cpp中变成了struct CWObject_IMPL，所以oc中的对象本质上是结构体指针。
创建一个对象占用多少内存
以NSObject为例
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
#import <malloc/malloc.h>
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
// 创建一个实例对象，需要的内存空间大小
NSLog(@"%zu", class_getInstanceSize([NSObject class])); // 8
// 创建一个实例对象，操作系统实际分配的内存空间大小
NSLog(@"%zu", malloc_size((__bridge const void *)obj)); // 16
可以看出，创建一个实例对象需要的内存大小和系统实际分配的大小是有出入的。这里不一样的原因涉及到内存对齐问题。
alloc和init分别是如何工作的
NSObject *objc1 = [NSObject alloc];
如上代码，我们使用Xcode调试跟踪代码alloc，是定位不到源码的。因此通过这种方法我们并不能知道alloc内部做了些什么操作。所以我们需要一些方法来定位到源码。定位源码的方式有3种：
方法一：
-
先在alloc这一行打上断点
-
进入断点后，我们添加一个符号断点，操作如图：
Jietu20200908-205759.gif
-
- 如图可以看到红框部分
libobjc.A.dylib，这即是源码库.
方法二：
- 同方法一第一步类似，在alloc那一行打上断点，进入断点后按住
control键后，点击下图红框部分
-
直到出现如下信息：
- 此时在打上一个符号断点，输入上图显示的
objc_alloc.可以看到符号断点信息如图：
后面的libobjc就是源码所在的库。
方法三：
-
alloc打上断点后开启汇编调试
-
后面的步骤同方法二类似按住control，点击 step into 键，执行到下图的callq ，对应 objc_alloc
-
按住control，点击 step into 键进入，看到断点断在objc_alloc部分
- 到了这一步就同方法二相同了，打上符号断点可知源码库在哪
通过上面三种方式找到源码所在的库后，我们就可以在Apple源码库上搜索并下载对应的源码了。
虽然找到了源码库，但是其实并不方便调试，如果我们能编译源码并直接通过control+cmd+左键可以直接跳转到对应的源码块就实在太方便了。可以参考此文源码编译调试
做完上面的准备工作之后，我们终于可以愉快的调试了。我们一层一层的点进去看源码.
调用alloc大致整个流程如下：
alloc之后调用init又做了哪些操作呢？我们先看一段代码：
LGPerson *p = [LGPerson alloc];
LGPerson *p1 = [p init];
LGPerson *p2 = [p init];
NSLog(@"%@ - %p", p, p);
NSLog(@"%@ - %p", p1, p1);
NSLog(@"%@ - %p", p2, p2);
控制台输出如下：
<LGPerson: 0x100656990> - 0x100656990
<LGPerson: 0x100656990> - 0x100656990
<LGPerson: 0x100656990> - 0x100656990
p, p1, p2这三个指针指向的都是同一个地址。查看源码可以看到init并没有做其他额外操作，而是直接返回了self。
+ (id)init {
return (id)self;
}
- (id)init {
return _objc_rootInit(self);
}
id
_objc_rootInit(id obj)
{
// In practice, it will be hard to rely on this function.
// Many classes do not properly chain -init calls.
return obj;
}
竟然init没有做任何操作，那么其存在的意义是什么呢。这里涉及到了工厂设计模式的思想。单纯的alloc并不能满足开发者的需求，我们平时需要大量的使用自定义的类去自定义构造方法，此时init就是官方暴露出来的自定义接口。这也是为什么我们重写构造方法都是重写init方法。
创建一个对象还可以使用new方法LGPerson *p = [LGPerson new];点进去源码如下：
+ (id)new {
return [callAlloc(self, false/*checkNil*/) init];
}
new其实就是alloc和init的简写。但是new的弊端就是只会调用init方法，如果你自定义了类似initWithXXXX这样的构造方法是不会被new方法触发的。
OC中的对象的种类有哪些：
- 实例对象（instance）
- 类对象 （class）
- 元类对象 （meta-class）
实例对象
我们使用alloc, new等方式创建出来的对象就是实例对象，他们各自有自己的内存空间。
NSObject *obj1 = [[NSObject alloc] init];
NSObject *obj2 = [[NSObject alloc] init];
obj1和obj2分别是两个不同的实例对象。一个实例对象在内存空间存储的信息有isa指针和成员变量：
实例对象
类对象
当我们执行如下代码时：
NSObject *obj1 = [[NSObject alloc] init];
NSObject *obj2 = [[NSObject alloc] init];
NSLog(@"%p %p, %p, %p, %p,"
obj1.class,
obj2.class,
object_getClass(obj1),
object_getClass(obj2),
[NSObject class]);
// log: 0x7fff94a14118 0x7fff94a14118, 0x7fff94a14118, 0x7fff94a14118, 0x7fff94a14118
可以发现同一个类创建的实例对象调用class或者object_getClass得到的对象都是同一个地址的对象。而这个对象就是类对象。类对象是唯一的。
类对象里存储的信息有isa指针，superclass指针，该类的成员变量信息，属性信息，实例方法信息，协议信息。
类对象存储信息
元类对象
接下我们还是调用object_getClass,但是传入的不再是实例对象，而是类对象：
NSLog(@"%p", object_getClass([NSObject class]));// 这里传入类对象，看看得到了什么
// 控制台：0x7fff94a140f0
可以看到这次得到的是个新地址，0x7fff94a140f0和之前的类对象0x7fff94a14118是不同的地址。而这个新的对象就是0x7fff94a14118（meta-class）。
我们可以用class_isMetaClass来验证一下其是否是元对象：
Class meta = object_getClass([NSObject class]);
NSLog(@"%p", meta);
BOOL isMeta = class_isMetaClass(meta);
NSLog(@"is meta : %hhd", isMeta);
// 控制台log： 0x7fff94a140f0
// 控制台log： is meta: 1
元类对象和类对象的内存结构其实是一样的。在代码中他们都是用Class关键字来接收的。不同的是他们各自存储的主要信息不同。类对象存储的信息在上文中已经提到。元类对象主要存储的信息：isa指针，superclass指针，类方法信息。
元对象
三种类型对象总览：
类对象，元类对象结构源码如下：
具体结构解析请看：class结构浅析
isa指针
实例对象，类对象，元类对象，他们都有一个isa指针，那么这个指针到底是指向哪里的呢。三种类的isa和superclass指针关系使用一张图可以概括：
isa指针关系
-
实例对象可以通过isa指针找到对应的类对象， -
类对象可以通过isa指针找到对应的元类对象， -
元类对象可以通过isa指针找到基类的元类对象， -
基类的元类对象的isa指向它自己。
superclass指针关系
-
子类类对象的superclass指针指向父类的类对象， -
基类的类对象的superclass指针指向nil， -
子类元类对象的superclass指针指向父类的元类对象， -
基类的元类对象的superclass指针指向基类的类对象（这一点可能有点违反我们的思维逻辑，但底层实现的确如此，后文会有验证）。
当我们访问一个实例对象的属性或者调用实例方法时，流程如下：
- 通过isa找到对应的类对象，查看类对象中是否有这个属性（或实例方法）的信息。
- 如果类对象中没有找到相关信息，就会通过类对象的superclass指针找到父类的类对象。查看其中是否有相关信息
- 以此类推，直到找到为止，如果一直到基类的类对象都没有找到，会抛出异常，也就是我们常见的
unrecognized selector sent to instance
当我们调用类方法时，流程如下：
- 类对象通过isa找到对应的元类对象，查找元类对象中是否有对应的方法信息。
- 如果没有找到，再通过superclass指针去父类的元类对象中查找，以此类推。
- 如果在基类的元类对象中也没有找到，上文中已经提到过了，基类的元类对象的superclass指向的是基类的类对象。所以这里会最后再去基类类对象中查找。如果没找到则会出现
unrecognized selector sent to instance报错。如果找到了会调用该方法。但是值得注意的是，此时该方法就不再是类方法了（+号开头），而是实例方法（-号开头），因为我们知道类对象中存放的是实例方法信息。
关于第三点，我们可以做代码验证：
- 定义一个
CWObject类， 并申明一个类方法，但是我们并不实现它。
@interface CWObject: NSObject{}
+ (void)testMethod;
@end
@implementation CWObject
@end
- 我们给基类
NSObject写个扩展，定义一个同名的实例方法：
@interface NSObject (Test)
- (void)testMethod;
@end
@implementation NSObject (Test)
- (void)testMethod {
NSLog(@"instance test method");
}
@end
- 执行以下代码：
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
[CWObject testMethod];
}
return 0;
}
- 控制台打印如下：
OCMain[44774:2212449] instance test method
流程图如下：
拓展：上文中一直描述的是通过isa找到XXX，而不是isa指向XXX。这是因为64bit之前，isa指针的确直接指向的就是对应内容的地址。而64bit之后，isa需要进行一次位运算才能得到真实的地址。
我们通过代码验证一下
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
CWObject *obj = [CWObject new];
Class classObjc = [obj class];
}
return 0;
}
- 我们打上断点调试,拿到类对象的地址
(lldb) p/x classObjc
(Class) $2 = 0x0000000100002158 CWObject
- 通过访问实例对象的isa，获取其指向的地址
(lldb) p/x (long)obj->isa
(long) $3 = 0x001d800100002159
可以发现isa指向地址0x001d800100002159和类对象地址0x0000000100002158并不相同。
- 通过位运算
(lldb) p/x 0x001d800100002159 & 0x00007ffffffffff8
(long) $4 = 0x0000000100002158
位运算之后的地址0x0000000100002158和类对象地址一致。具体进一步了解参考链接
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