iOS底层原理08：类结构分析——bits属性
iOS底层原理07：类 & 类结构分析中我们对类结构有了大概的认识，本文主要探索objc_class的bits属性，探索成员变量、属性、方法(对象方法、类方法)、协议等是如何存储的
【WWDC2020】类数据结构的优化
WWDC2020中关于数据结构的变化（Class data structures changes）视频地址
Object-C运行时会使用这些数据结构来跟踪类，👇下面我们先来了解 Clean Memory 和Dirty Memory的区别，方便我们更好得理解类数据结构的优化
Clean Memory 和 Dirty Memory的区别
Clean Memory
-
clean memory是指加载后不会发生更改的内存 -
class_ro_t就属于clean memory，因为它是只读的 -
clean memory可以进行移除，从而节省更多的内存空间，因为如果你需要clean memory，系统可以从磁盘中重新加载
Dirty Memory
-
dirty memory是指在进程运行时会发生更改的内存 - 类结构一经使用就会变成
dirty memory，因为运行时会向它写入新的数据。（例如：创建一个新的方法缓存，并从类中指向它） -
dirty memory比clean memory要昂贵得多，只要进程在运行，它就必须一直存在 -
macOS可以选择换出dirty memory，但因为iOS不使用swap，所以dirty memory在iOS中代价很大
因此，苹果为了性能优化，类数据被分成两部分，可以保持清洁的数据越多越好，通过分离出那些永远不会更改的数据（即class_ro_t），可以把大部分的类数据存储为clean memory
类结构的优化
虽然class_ro_t这些数据足够我们使用类，但因为OC的动态特性，运行时需要跟踪每个类的更多信息，所以当一个类首次被使用，runtime会为它分配额外的存储空间。
- 这个运行时分配的存储容量是
class_rw_t，用于读取-编写数据，在这个数据结构中，我们存储了只有在运行时才会生成的新消息
优化之前，类结构如下👇
image.png
所有的类都会链接成一个树状结构，通过使用First Subclass和Next Sibling Class指针实现的，这允许运行时遍历当前使用的所有类。
【问题】 为什么class_rw_t和class_ro_t中都存在方法、属性呢？
-
class_rw_t可以在运行时进行更改 - 当
category被加载时，它可以向类中添加新的方法 - 我们还可以使用
运行时 API动态添加方法，如method_setImplementation -
class_ro_t是只读的，所以我们需要在class_rw_t中来跟踪这些东西
在任何给定的设备中，都有许多类在使用，苹果开发人员在iPhone上的整个系统中测量了，class_rw_t结构占用了相当多的内存，【切记】我们在读取-编写部分需要这些东西，因为他们可以在运行时更改。
【问题】如果缩小class_rw_t的结构呢？
- 苹果开发人员发现，大约只有10%的类真正地更改了他们的方法
- 而且只有
Swift类会使用这个demangled name字段（只有访问它们Objective-C名称时才需要）
所以我们可以拆掉那些平时不用的部分，以达到内存优化，如下图所示：
image.png
- 这样
class_rw_t的大小会减少一半 - 对于那些确实
需要额外信息的类，才会有分配这些扩展记录，即多了一层class_rw_ext_t数据，而剩下90%的类，从来不需要这些扩展数据，也就没有class_rw_ext_t这层数据结构
我们可以通过heap来检查正在运行的进程所使用的堆内存
//查看微信进程，在活动监视器中查看，微信进程=591
heap 591 | egrep "class_rw|COUNT|class_ro"
image.png
总结
class_rw_t优化，其实就是对class_rw_t不常用的部分进行了剥离。如果需要用到这部分就从扩展记录中分配一个，滑到类中供其使用。现在大家对类应该有个更清楚的认识。
lldb调试分析
准备工作
定义两个类
- 继承自
NSObject的类HTPerson
@interface HTPerson : NSObject
{
NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end
@implementation HTPerson
- (void)sayHello {
NSLog(@"%@",__func__);
}
+ (void)sayBye {
NSLog(@"%@",__func__);
}
@end
- 继承自
HTPerson的类HTTeacher
@interface HTTeacher : HTPerson
@end
@implementation HTTeacher
@end
-
main.m中代码如下
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
HTPerson *p1 = [HTPerson alloc];
HTPerson *p2 = [[HTPerson alloc] init];
HTTeacher *t = [[HTTeacher alloc] init];
NSLog(@"end--%@--%@", @"123", p1);
}
return 0;
}
lldb调试class_rw_t结构
断点调试步骤如下
-
获取类的首地址：
p/x HTPerson.class -
获取
bits的地址：类首地址 + 0x20，p/x (0x00000001000082f8 + 0x20) -
通过
bits->data()获取class_rw_t结构体地址 -
打印
class_rw_t结构体数据 -
【1】执行完
HTPerson *p1 = [HTPerson alloc];，查看class_rw_t数据，发现witness的值为0，firstSubclass的值为nil
image.png
- 【2】执行完
HTPerson *p2 = [[HTPerson alloc] init];，查看class_rw_t数据，发现witness的值变为1
image.png
- 【3】执行完
HTTeacher *t = [[HTTeacher alloc] init];，即使用子类，发现firstSubclass的值变成了HTTeacher
image.png
属性探究
-
class_rw_t结构体提供了properties()函数来获取类的属性，得到property_array_t数据
image.png
- 查看
property_array_t数据结构，发现它继承自list_array_tt，并且有property_t和property_list_t两层数据
image.png
- 继续查看
list_array_tt数据结构，发现内部有个联合体数据，其中list即属性列表property_list_t的指针地址
image.png
- 查看
property_list_t数据结构，继承自entsize_list_tt，提供了泛型模版数据
struct property_list_t : entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> {
};
- 继续查看
entsize_list_tt数据结构，终于找到了get()方法（获取对应index位置的属性）
image.png
👇通过lldb断点来查看HTPerson的属性
image.png
通过class_rw_t -> properties()获取的属性列表，只存储了两个属性：name和age
【问题】我们声明的变量-hobby保存在哪里呢？
成员变量探究
类属性列表中没有存储变量，观察发现class_rw_t还有一个获取class_ro_t *的方法const class_ro_t *ro() const {}，成员变量会不会在class_ro_t中，源码查看class_ro_t结构体定义
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
uint32_t reserved;
#endif
union {
const uint8_t * ivarLayout;
Class nonMetaclass;
};
explicit_atomic<const char *> name;
// With ptrauth, this is signed if it points to a small list, but
// may be unsigned if it points to a big list.
void *baseMethodList;
protocol_list_t * baseProtocols;
const ivar_list_t * ivars;
const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
// This field exists only when RO_HAS_SWIFT_INITIALIZER is set.
_objc_swiftMetadataInitializer __ptrauth_objc_method_list_imp _swiftMetadataInitializer_NEVER_USE[0];
// ...省略
class_ro_t是结构体类型，有一个const ivar_list_t * ivars;变量。从名字我们可以猜到里面应该存储变量。👇通过lldb验证如下图：
image.png
总结
-
变量的底层实现是ivar_t，存储在class_ro_t中的变量列表ivars里 - 系统会给
属性自动生成一个带_属性名变量，存储在class_ro_t的变量列表中
方法探究
实例方法探究
lldb调试如下👇
image.png
- 类的
对象方法列表通过bits->data()->methods()获取 - 类的
对象方法列表在底层结构是method_list_t -
p $7.get(index)在方法列表中获取不到具体的值，因为method_t中进行了处理，需要通过big()获取方法 - 类的方法列表中没有
类方法
从上图打印结构可以看出，类会为属性提供默认的set、get方法，
但是我们没有发现HTPerson的类方法+ (void)sayBye;
类方法探究
对象的方法是存储在类中，那么类方法可能存储在元类中。按照这个思路探究下
image.png
从打印结果可以得知：类方法存储在元类的方法列表中
协议探索
- 新增一个协议
HTPersonProtocol，让HTPerson遵守协议
@protocol HTPersonProtocol <NSObject>
- (void)protocolMethod1;
- (void)protocolMethod2;
@end
@interface HTPerson : NSObject<HTPersonProtocol>
{
NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property(nonatomic, assign) NSInteger age;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end
image.png
