清晰理解Objective-C元类

元类是什么

众所周知Objective-C（以下简称OC）中的消息机制。消息的接收者可以是一个对象，也可以是一个类。那么这两种情况要是统一为一种情况不是更方便吗？苹果当然早就想到了，这也正是元类的用处。苹果统一把消息接收者作为对象。等等，这是说，类也是对象？yes，就是这样。就是说，OC中所有的类都一种对象。由一个类实例化来的对象叫实例对象，这好理解，那么，类作为对象（称之为类对象），又是什么类的对象？当然也容易猜到，就是今天的主题——元类（Metaclass）。现在到给元类下定义的时候了：元类就是类对象所属的类。所以，实例对象是类的实例，类作为对象又是元类的实例。已经说了，OC中所有的类都一种对象，所以元类也是对象，那么元类是什么的实例呢？答曰：根元类，根元类是其自身的实例（这句话看了下一小节之后就会理解）。

上面讲到了实例对象、类对象、元类对象，有什么区别？

实例对象：当我们在代码中new一个实例对象时，拷贝了实例所属的类的成员变量，但不拷贝类定义的方法。调用实例方法时，根据实例的isa指针去寻找方法对应的函数指针。

类对象：是一个功能完整的对象。特殊之处在于它们是由程序员定义而在运行时由编译器创建的，它没有自己的实例变量（这里区别于类的成员变量，他们是属于实例对象的，而不是属于类对象的，类方法是属于类对象自己的），但类对象中存着成员变量与实例方法列表。

元类对象：OC 的类方法是使用元类的根本原因，因为其中存储着对应的类对象调用的方法即类方法。其他时候都倾向于隐藏元类，因此真实世界没有人发送消息给元类对象。元类的定义和创建看起来都是编译器自动完成的，无需人为干涉。要获取一个类的元类，可使用如下定义的函数：

Class objc_getMetaClass(const char* name); //name为类的名字
此外还有一个获取对象所属的类的函数：

Class object_getClass(id obj) ;
由于类对象是元类的实例，所以当传入的参数为类名时，返回的就是指向该类所属的元类的指针。

元类的构建机制

现在有没怀疑上面第一句红体的话？既然所有类都是对象，那么元类又是什么类的对象呢？这样下去，不是子子孙孙无穷尽也？当然不行，OC作为一门编程语言，当然要满足完备性——既定的各条规则都要满足，不能相互矛盾，也不能存在漏洞。

OC作为运行时语言，上面提到的类与元类在运行时都是objc_class类型。在Objective-C2.0中，objc_class的定义如下：

struct objc_class { 
  Class isa; 
  Class super_class; 
  struct objc_class; 
  struct objc_class* ; 
  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; 
}

其中，Class定义如下：

typedef struct objc_class *Class;
可以看出，OC中每个类中都包含一个isa变量，显然这里的isa是指向另一个类的指针，说白了就是表明这个类是哪个类的实例，以便找到代码中调用的本类或父类的类方法（下一节详解）。对于NSObject及其子类，指向的就是它的元类，正如实例中也有个isa指针指向其所属的类一样（下文有讲）。而对于元类，每个元类的isa都指向根元类。那么根元类的isa指向哪里？——它自己。这样就构成一个封闭的循环，实现了无懈可击的OC类系统。这种关系在下面的图中有清晰的体现。

除了isa声明了实例与所属类的关系，还有super_lass表明了类、元类的继承关系——

每个类对象都有对应的元类，每个类（根类除外）都有一个superclass，同样每个元类也有一个superclass，并且子类与子元类、父类与父元类分别在同一层次。这种关系借用网上的一张图来说明，一目了然：

注意：根元类的superclass不是nil而是根类。对于OC原生的类，根元类的父类就是系统的根类NSOject。但根类不一定是NSObject，因为后面介绍的objc_allocateClassPair函数也可创建出一个根类。

元类的运行机制

上面讲到了OC运行时类的定义，这里再看对象的定义：

struct objc_object{ 
　　Class isa; 
}

这说明OC中每个对象也都包含一个isa变量。这里的isa，指向实例对象所属的类。在运行时，[obj aMessage];被转化为objc_msgSend(obj, @selector (aMessage));，这里，@selector (aMessage)返回一个SEL数据类型，即方法选择器。SEL主要作用是快速的通过方法名字（aMessage）查找到对应方法的函数指针，然后调用其函数。SEL其本身是一个int型的地址，地址中存放着方法的名字。在一个类中，每一个方法对应着一个SEL。iOS类中不能存在两个名称相同的方法，即使参数类型不同，因为SEL是根据方法名字生成的，相同的方法名称只能对应一个SEL。

当一个消息发送给任何一个对象， 方法的检查 从对象的 isa 指针开始，然后是父类。具体地，在objc_msgSend函数中，首先通过obj的isa指针找到obj对应的class。在class中，有一块最近调用的方法的指针缓存，所以先去cache通过selector查找对应的method，若cache中未找到，再去method list中查找，若method list中未找到，则去superClass中查找。若能找到，则将method加入到cache中，以方便下次查找，并通过method中的函数指针跳转到对应的函数中去执行。对最后一句不了解的话，请看objc_method定义：

struct objc_method { 
  SEL method_name; // 方法名称 
  charchar *method_typesE; // 参数和返回类型的描述字串 
  IMP method_imp; // 方法的具体的实现的指针 
}

由上看出，OC中实例方法是通过isa找到object所属的class，再在class中找到要调用的method。此可得出结论：class即类对象中存储着实例方法。实际上，类对象中存储着类定义的一切：成员变量、属性列表，遵守的协议等，但不包括类方法。类方法存在哪？答案又是今天的主角——类方法是存在元类中的，此外元类中还存有类的信息(类的版本，名字）。比如发送一个类消息[class aMessage];，class中的isa就指向class的元类，在元类中搜索调用的类方法，搜索层次类似于实例方法的搜索。

元类的应用

类对象和元类对象的相关方法：

①object_getClass跟随实例的isa指针，返回此实例所属的类，对于实例对象(instance)返回的是类(class),对于类(class)则返回的是元类(metaclass),
②-class方法对于实例对象(instance)会返回类(class),但对于类(class)则不会返回元类(metaclass),而只会返回类本身，即[@”instance” class]返回的是__NSCFConstantString,而[NSString class]返回的是NSString。
③class_isMetaClass可判断某类是否为元类.

④使用objc_allocateClassPair可在运行时创建新的类与元类对，使用class_addMethod和class_addIvar可向类中增加方法和实例变量，最后使用objc_registerClassPair注册后，就可以使用此类了。这体现了OC作为运行时语言的强大之一：在代码运行中动态创建类并添加方法。

eg：

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

void added_method_implentation(id self, SEL _cmd) 
{　　
　　//do something
}

说明：objc_allocateClassPair函数的作用是创建一个新类newClass及其元类，三个参数依次为newClass的父类，newClass的名称，第三个参数通常为0。然后可向newClass中添加变量及方法，注意若要添加类方法，需用objc_getClass(newClass)获取元类，然后向元类中添加类方法。接下来必须把newClass注册到运行时系统，否则系统是不能识别这个类的。

转自：https://blog.csdn.net/beclosedtomyheart/article/details/50164353