OC底层原理九：类的原理分析

OC底层原理 学习大纲

上一节我们了解了isa的内部结构，了解了结构和类的关系。

• 现在，我们用代码来探究下isa的指针指向与类的关系

1. 类与isa指针的关系

在objc4源码中，加入测试代码。在NSLog打印出加上断点

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    @autoreleasepool {
        
        HTPerson * person = [[HTPerson alloc]init];
        
        NSLog(@"%@", person);
    }
    return 0;
}

• 准备好isa位运算的MASK(遮罩)。
  image.png

p person打印，x/4gx打印，p/x&与上ISA_MASK、打印获取到的isa中的shiftcls地址。成功找到HTPerson类

image.png

如果看不到，需要回看上一节。了解isa内部构造和获取类地址的方法。

• 我们猜想，既然拿到了HTPerson类的isa地址,那HTPerson类的isa指针指向哪里呢？
  image.png

我们发现，0x0000000100002630和0x0000000100002608都打印出来是HTPerosn的。2个地址不一样为什么打印出来结果一样？

• 类地址不应该是唯一的吗？

• 这个问题我们保留。下面再一起回答。

• 现在，我想继续顺着这根藤（isa指针方向），看可以摸到哪个类去。

NSObject

我们发现，一直顺着摸，摸到NSObject后，内存地址不再发生变化。

为了解答上面2个不同地址都是打印了HTPerson的问题。我们需要先了解一个新东西： 👇

2. 元类（Meta）

元类的定义和创建都由系统控制，由编译器自动完成，不受我们管理

对象的isa来自于类，类也是对象。那类的isa指向哪里呢？

• 答案： 元类 。类的归属来自于元类。

类既然是对象，就需要管理方法、属性的存储和归属。而这个管理者，就是元类（Meta）

上面2个不同地址都打印HTPerson的问题，实际上打印路径是： HTPerosn -> HTPerson元类 -> NSObject

问题： 既然你说打印到了元类， 那HTPerson元类到NSObject之后，为什么就结束了？ 不应该再打印一次NSObject元类吗？

• 我们顺着上面代码。打印一次p/x [NSObject class]:

image.png

发现[NSObject class]打印的地址与之前打印的地址不一致！

• 因为 [NSObject class]打印的是NSObject本类，而HTPerson元类的父类是NSObject元类。所以地址不一样。
• 我们验证一下。

image.png

果然，NSObject的isa指针指向了NSObject元类。 地址和HTPerson元类的isa指针地址一致。

那么，类在内存中会存在多份（多地址）吗？

#import <objc/runtime.h>
#import "HTPerson.h"

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    @autoreleasepool {
        
        Class class1 = [HTPerson class];
        Class class2 = [HTPerson alloc].class;
        Class class3 = object_getClass([HTPerson alloc]);
        Class class4 = [HTPerson alloc].class;
        
        NSLog(@"%p", class1);
        NSLog(@"%p", class2);
        NSLog(@"%p", class3);
        NSLog(@"%p", class4);
        
    }
    return 0;
}

image.png

我们多种方式读取类，通过打印可以发现，所有地址都一样。

• 类的信息在内存中永远只存在一份

问题： 不直接继承NSObject类，Isa是如何指向的呢？

@interface HTMan : HTPerson
@end

@implementation HTMan
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    @autoreleasepool {
        
        HTMan * man = [[HTMan alloc]init];
        
        NSLog(@"%p", man);
        
    }
    return 0;
}

代码中HTMan继承自HTPerson，而HTPerson继承自NSObject

image.png

但是isa的指向，却是HTMan->HTMan元类->NSObject元类

总结

• 类的信息在内存中永远只存在一份
• 类的isa指针首先指向自己的元类，再直接指向NSObject元类
  (自己类->自己元类->NSObject元类)
• NSObject元类的isa也指向NSObject元类
• NSObject元类是所有元类的始祖。所以也叫根元类

isa指向

误区：

• 上述是isa的指针指向，并非类的继承关系。
• 类有继承关系，实例对象无继承关系。
• NSObject没有父类（父类为Null）。
  所以我们类的继承，溯源只需要找到NSObject。
  OC语言中：NSObject是对象的始祖。万物皆对象。
• NSObject根元类的isa指针是直接指向NSObject根元类

3. OC对象的本质

首先了解2个结构体： objc_object (根对象)和 objc_class(根类)

我们打开objc4源码，搜索struct objc_object

objc_object部分代码

搜索struct objc_class ：

objc_class部分代码

源码搜索时，注意看结构体尾部的声明。 UNAVAILABLE已废弃的不要耗费精力了。

image.png

我们发现，objc_class继承自objc_object。

1. object_object拥有isa属性，所以objc_class也拥有isa。

2. 万物皆对象(object)。

使用方法：

• struct objc_object * Object 以objc_object为模板，定义一个对象
• struct objc_class * Class 以objc_class为模板，定义一个类

3. 类的结构分析

老规矩，先从案例下手，看懂了再总结

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "HTPerson.h"

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    @autoreleasepool {
        
        HTPerson * person = [[HTPerson alloc]init];
        
        NSLog(@"%p", person);
        
    }
    return 0;
}

• p/x打印HTPerson类地址。 -> x/4gx 打印内存信息

image.png

请问:

1. 为什么第一个地址是HTPeroson？第二个是NSObject？

• objc_class第一个地址存放的是isa地址，第二个存放的是superclass类地址
  (参考上面objc_object部分代码和objc_class部分代码图。)

2. 第二个地址打印的是NSObject类还是元类?

image.png

• NSObject.class打印的地址与第二个地址打印的一致。 与接着打印的NSObject元类地址不一致。 说明第二个地址打印的是NSObjetc自身类。

3. 内存偏移

老规矩，先从案例开始，在main.m文件中加入测试代码：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    @autoreleasepool {
        
        int f[4] = {10,20,30,40};

        NSLog(@"%p", &f);
        NSLog(@"%p", &f[0]);
        NSLog(@"%p", &f[1]);
        NSLog(@"%p", &f[2]);
        NSLog(@"%p", &f[3]);

    }
    return 0;
}

在打印的尾部加入断点

image.png

我们发现：

• 1. &f和&f[0]内存地址一样。 证明对象的内存地址就是使用内部首元素的地址
• 2. f是int类型的数组，内部元素每位占用4字节。 所以每个元素内存偏移值为4。

是不是瞬间有个小想法：

我们是否可以根据数据类型，确定内存占用空间的大小，通过内存值偏移，就可定位到下一元素的指针地址。然后直接取出这个指针地址指向的值。

小拓展： 如何通过地址取出对应的值：

• 知识点： 指针(地址)的指针

• 地址强转为指定类型（int） -> 加*读取对象(指针)的指针 -> 打印目标值

image.png

快速读取： p *((int *)0x7ffeefbff5b0)

image.png

我们通过首地址偏移，果然：

image

完美👍

但前提是我们必须知道偏移值是多少，也就是存储的是什么类型。

• 上面我们使用的是地址偏移，所以必须加入偏移值。
• 我们也可以使用指针偏移。直接在属性层在进行操作。

image.png

至此。我们已经掌握了地址偏移和指针偏移。

• 只有知道属性类型，占用空间大小，才能使用地址偏移和指针偏移，读取类的所有信息。

现在，我们来分析类的结构

4. 分析类结构

在objc4源码中，搜索objc_class。

• 剔除不会占用类空间的const、void、static和函数。

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;  。                          // 指针 - 占用8字节
    Class superclass;                          // 指针 - 占用8字节
    cache_t cache;                             //  ？
    class_data_bits_t bits;                  
};

如果我们要获取bits的首地址位置。只有cache_t类型不知道空间大小。 点进去看看:

• 剔除不会占用类空间的const、void、static和函数。

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;
    explicit_atomic<mask_t> _mask;
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;
    
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;
#else
#error Unknown cache mask storage type.
#endif
    
#if __LP64__
    uint16_t _flags;
#endif
    uint16_t _occupied;

};

• 我们进入explicit_atomic查看:

image.png

• 发现返回的类型就是传入的泛型T。 所以explicit_atomic的类型只跟他传入的类型相关。

image.png

• 我们进入bucket_t 结构体:

image.png

这里的_sel和_imp 是不是很眼熟。 😃 后续我们会详细介绍

进入uintptr_t：

image.png

• 发现 uintptr_t实际就是unsigned long，64位操作操作系统下占用8个字节

所以我们_buckets实际大小就是8字节

接下来我们看mask_t。

image.png

• 点进去

  
  image.png

发现它就是uint32_t类型。占用4字节

汇总一下：

image.png

• 现在系统都是64位系统。

• 所以cache_t内存大小为: 12 + 2 + 2 = 16 字节

回头继续分析object_class的内存大小

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;  。                          // 指针 - 占用8字节
    Class superclass;                          // 指针 - 占用8字节
    cache_t cache;                             //       占用16字节
    class_data_bits_t bits;                   
};

所以我们得出结论。

• object_class内部的找到bits,需要偏移8 + 8 + 16 = 32位

现在，我们来读取bits

5. 读取bits

• x/4gx HTPerson.class打印内存地址
• p/x 0x0000000100002390 + 32 获取bits地址
• p (class_data_bits_t *)$12 强转为class_data_bits_t类型

image.png

在objc_class结构中，我们发现bits.data()返回的是class_rw_t类型

image.png

我们打印bits->data()检验一下

image.png

成功拿到，打印HTPerson的class_rw_t信息：

image.png

• 我们想要寻找这个类的方法和属性，但是发现只有一个ro_or_rw_ext。

我们进入class_rw_t内部, 折叠所有函数。

Xcode折叠所有函数：command + shift + ←

image.png

6. 读取methods、properties和protocols

main.m加入测试代码:

@interface HTPerson : NSObject {
    NSString * hobby;
}

@property(nonatomic, copy) NSString * name;
@property(nonatomic, copy) NSString * nickname;

+(void) ClassFunction;

-(void) objectFunction;

@end

@implementation HTPerson

+(void) ClassFunction {
    NSLog(@"类方法");
}

-(void) objectFunction{
    NSLog(@"对象方法");
}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    @autoreleasepool {
        
        HTPerson * person = [[HTPerson alloc]init];
        
        NSLog(@"%p", person);
    }
    return 0;
}

NSLog处加入断点，运行代码。快速找到data()对象的位置：

• p/x HTPerson.class
• -> p/x (class_data_bits_t *)(0x0000000100002258 + 32)
• -> p $1->data()

image.png

methods

利用$2对象打印p $2->methods()：

image.png

我从图中看到了list。继续打印p *$3.list:

image.png

• 看到count有6个值，我们使用get打印一下：

image.png

properties

利用$2对象打印p $2->properties()：

接下来打印p * properties()属性方法。

image.png

protocols

利用$2对象打印p $2->protocols()：

image.png

成员变量hobby去哪了？

image.png

打印ro

image.png

打印p *$23.ivars

image.png

打印每一个成员变量p $25.get(0)

image.png

• 我们发现，除了hobby变量。所有property属性，都自动生成了带下划线的成员变量。

为什么案例中的ClassFunction类方法没出现在Methods中？

对象的isa指向自己的类，所以对象方法存放到了HTPerosn中，难道类方法存放在它的isa上一级？HTPerson元类中？

实践出真知：

• p HTPerson.class -> x/4gx $0 -> p/x (class_data_bits_t *)(0x0000000100002230 + 32) -> p $1->data() -> p $2->methods() -> p $3.list -> p *$4 -> p $5.get(0)
  image.png

果然。 对象的方法存在类中，类的方法存在元类中

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