浅谈 Objective-C 中的元类 (meta-class)

2017-02-04 本文已影响488人 Mad_Mark

首先这是篇译文，为了更易理解，个别地方稍作调整。
如有不正之处，欢迎指出！
原文在此

这篇文章中，我将着眼于 OC中一个相对比较陌生的概念——元类 ( meta-class )。每个OC中的类有他自己关联的元类，但是你一般不会直接用到元类。通过检查 “class pair”（类对）的创建过程，我将解释什么是元类，以及他在OC中作为对象或者类的数据表现形式。

在运行时创建一个类

接下来的代码在运行时创建了一个 NSError 的子类，并添加了一个方法：

Class newClass =
    objc_allocateClassPair([NSError class], "RuntimeErrorSubclass", 0);
class_addMethod(newClass, @selector(report), (IMP)ReportFunction, "v@:");
objc_registerClassPair(newClass);

添加的方法使用了一个名为 ReportFunction 的函数来作为他的实现：

void ReportFunction(id self, SEL _cmd)
{
    NSLog(@"This object is %p.", self);
    NSLog(@"Class is %@, and super is %@.", [self class], [self superclass]);
    
    Class currentClass = [self class];
    for (int i = 1; i < 5; i++)
    {
        NSLog(@"Following the isa pointer %d times gives %p", i, currentClass);
        currentClass = object_getClass(currentClass);
    }

    NSLog(@"NSObject's class is %p", [NSObject class]);
    NSLog(@"NSObject's meta class is %p", object_getClass([NSObject class]));
}

表面上看来非常简单。在运行时创建一个类只要三步：

为"class pair"（类对）分配空间（使用 objc_allocateClassPair ）
添加类中所需的方法和变量（这里使用 class_addMethod 添加了一个方法）
注册这个类使其能够被使用（使用 objc_registerClassPair ）

然而，紧接着的问题是：什么是"class pair（类对）"？函数 objc_allocateClassPair 只返回一个值：类。那么这个"class pair（类对）"的另一半呢？

我确信你正在猜想另一半是不是就是元类（这篇文章的主题），但是为了解释元类是什么以及为什么你需要它，我们先要了解下OC中对象和类的一些背景知识。

一个数据结构需要什么才能成为一个对象？

每个对象都有一个类。这是面向对象概念的基本原则，但是在OC中，这也是数据的一个基础部分。任何数据结构在正确的位置都有一个指向类的指针，使其能够被视作对象。

在OC中，一个对象的类由他的isa指针来决定。isa指针指向对象的类。
实际上，OC中一个对象的基本定义看起来是这样的：

typedef struct objc_object {
    Class isa;      
} *id;

** 注意，现在isa的类型变成了 isa_t 类型而不是 Class类型**

这说明：任何以一个指向 Class 结构体的指针开始的结构体都可以视为一个 objc_object。

OC中对象的最重要的特性是你能发消息给他们：

[@"stringValue"
    writeToFile:@"/file.txt" atomically:YES encoding:NSUTF8StringEncoding error:NULL];

这段代码能够工作的原因是因为当你发送一个消息给OC的对象时（就像这里的 NSCFString），运行时会根据对象的isa指针获取到对象的类（这里是 NSCFString 类）。类包含了一串方法能够被这个类的所有实例对象使用，并且有一个 superclass的指针来查找继承链中的方法。运行时在类和父类的方法列表中查找能够匹配这个消息的 selector（在上面的例子中，是在 NSString 类中的 writeToFile:atomically:encoding:error 方法）。然后运行时唤起这个方法的实现(IMP)。

重点是你能够将类定义的消息发送给一个实例对象。

什么是元类？

现在，正如你可能已经知道的，OC中的类也是一个对象。这意味着你能够发送消息给类。

NSStringEncoding defaultStringEncoding = [NSString defaultStringEncoding];

这个例子中，defaultStringEncoding是发送给NSString类的。
这行代码能够工作的原因是因为每个OC中的类本身就是自己的对象。这意味类的结构必须以一个isa指针开始，以便和 objc_object 结构二进制兼容。我在上面展示的结构体中的下一个字段必须是一个指向 superclass 的指针（基类指向的是 nil）。

有几种不同的方式来定义一个类，这依赖你正在运行的运行时的版本。但有一点不会变：他们都有一个 isa 字段开始，紧接着是一个 superclass 字段。

typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class {
    Class isa;
    Class super_class;
    /* followed by runtime specific details... */
};

然而，为了让我们对一个类调用方法（使用类方法），类的isa指针必须指向一个类结构，并且这个类结构必须包含一个方法列表使我们能够对类使用。

这就引导出元类的定义：元类是一个类对象的类。

简而言之：
当你向一个对象发送一条消息的时候，运行时会在对象的类的方法列表中查找这条消息是否存在。
当你向一个类发送一条消息的时候，运行时会在类的元类的方法列表中查找这条消息是否存在。

元类的存在是必需的，因为他存储了一个类的所有类方法。每个类的元类都是独一无二的，因为每个类都有一系列独特的类方法。

什么是元类的类

元类，和类一样，也是一个对象。这表示你能够对元类调用方法。自然的，这表示他必须也有一个类指针。

所有元类使用基类的元类（即继承链顶端的类的元类）作为他们的类，而所有类的基类都是 NSObject（大多数类是这样的），所以大多数元类使用 NSObject 的元类作为他的类。

根据规则所有元类使用基类的元类作为他们的类，那么基类的元类就是他自己的类（他们的isa指针指向了自己）。这表明NSObject的元类的指针指向的是他自己（他是一个他自己的实例）。

继承类和元类

同样的，类使用 super_class 指针指向他们的 superclass，元类也有 super_class 指针来指向 superclass。
这里又有一个奇怪的地方，基类的元类设置的 superclass 是基类自己。
这种继承结构导致的结果是所有结构中的实例、类以及元类都继承自结构中的基类。

所有实例、类和元类都在 NSObject 的层级下，这表明所有 NSObject 的实例方法都能够被使用，同样的，对类以及元类来说，所有 NSObject 的类方法也是有效的。

所有这些用文字描述起来可能比较容易让人困惑。Greg Parker的文章中有一张附图描述了实例、类和元类以及他们的super class是如何完美的共存的。（这张图大家应该都很熟悉了）

objc-isa_&_superclass.png

实验论证

为了确认上述结论，让我们来看下文章开头中 ReportFunction 函数的输出。这个函数的目的是沿着isa指针查找并打印日志。

执行 ReportFunction 之前，我们需要使用我们动态创建的类来创建一个实例，并对他调用 report 的方法。

id instanceOfNewClass =
    [[newClass alloc] initWithDomain:@"someDomain" code:0 userInfo:nil];
[instanceOfNewClass performSelector:@selector(report)];
[instanceOfNewClass release];

因为这里没有 report 方法的声明，我使用 performSelector: 来调用他，所以编译器不会给出警告。

ReportFunciton 现在将会遍历 isa 指针，然后告诉我们对象所使用的类、元类以及元类的类。

获取一个对象的类：ReportFunction 使用 object_getClass 来跟踪 isa 指针，因为 isa 指针是类结构中被保护的成员（你不能直接访问对象的 isa 指针）。ReportFunction 没有使用一个类方法来做这些，是因为对一个类对象调用类方法不会返回元类，取而代之的是又返回了这个类（所以 [NSString class] 将返回 NSString 的类而不是 NSString 元类）。

运行后输出如下：

This object is 0x10010c810.
Class is RuntimeErrorSubclass, and super is NSError.
Following the isa pointer 1 times gives 0x10010c600
Following the isa pointer 2 times gives 0x10010c630
Following the isa pointer 3 times gives 0x7fff71038480
Following the isa pointer 4 times gives 0x7fff71038480
NSObject's class is 0x7fff710384a8
NSObject's meta class is 0x7fff71038480

看一下isa所指向的地址的值：

instanceOfNewClass实例对象的地址： 0x10010c810
instanceOfNewClass 的类的地址： 0x10010c600
RuntimeErrorSubclass 的元类的地址： 0x10010c630
RuntimeErrorSubclass 的元类的类的地址： 0x7fff71038480 (即NSObject的元类地址)
NSObject 元类的类就是 NSObject 的元类（地址相同）。

地址的值并不是主要的，但是他体现了之前我们所描述的从类到元类，再到NSObject元类的整个进度。

总结：

元类是一个类对象的类。每一个类有他自己独一无二的元类（因为每个类能够有自己独一无二的方法列表）。这就意味着类对象的类并不是和他们一样的类。
元类能确保类对象有所有底层类的实例和类方法，中间加上所有自己的类方法。所有类继承自NSObject，这意味着NSObject所有的实例和协议方法为所有类（和元类）对象都定义了。
所有元类使用基类的元类（NSObject 元类）来作为他们的类，包括只在运行时自定义的类的元类。

浅谈 Objective-C 中的元类 (meta-class)

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