iOS底层原理 - OC对象的本质（二）

面试题引发的思考：

Q: OC的类信息存放在哪里？

• 类方法，存放在meta-class对象中；
• 对象方法、属性、成员变量、协议信息，存放在class对象中；
• 成员变量的具体值，存放在instance对象。

Q: 对象的isa指针指向哪里？

• instance对象的isa指向class对象；
• class对象的isa指向meta-class对象；
• meta-class对象的isa指向基类的meta-class对象。

1. OC的类信息存放在哪里？

(1) OC对象的分类：

Objective-C对象，简称OC对象，主要分为3种：

1. instance对象（实例对象）
2. class对象（类对象）
3. meta-class对象（元类对象）

1> instance对象（实例对象）

instance对象就是通过类alloc出来的对象，每次调用alloc都会产生新的instance对象。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // instance对象，实例对象
        NSObject *object1 = [[NSObject alloc] init];
        NSObject *object2 = [[NSObject alloc] init];
     }
    return 0;
}

• object1、object2是NSObject的instance对象（实例对象）；
• 它们是不同的两个对象，分别占据着两块不同的内存。

instance对象在内存中存储的信息包括：

• isa指针
• 其他成员变量

@interface Person : NSObject {
   @public
   int _age;
}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *p1 = [[Person alloc] init];
        p1->_age = 3;
        Person *p2 = [[Person alloc] init];
        p2->_age = 4;
     }
    return 0;
}

instance对象在内存中存储的信息

2> class对象（类对象）

通过class方法或runtime方法可以得到class对象：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // instance对象，实例对象
        NSObject *object1 = [[NSObject alloc] init];
        NSObject *object2 = [[NSObject alloc] init];

        // class对象，类对象
        // class方法返回的一直是class对象，类对象
        Class objectClass1 = [object1 class];
        Class objectClass2 = [object2 class];
        Class objectClass3 = [NSObject class];
        // runtime
        Class objectClass4 = object_getClass(object1);
        Class objectClass5 = object_getClass(object2);
        // 以下输出地址相同
        NSLog(@"%p %p %p %p %p", objectClass1, objectClass2, objectClass3, objectClass4, objectClass5);
     }
    return 0;
}

• objectClass1 ~ objectClass5都是NSObject的class对象；
• 它们是同一个对象，每个类在内存中有且只有一个class对象。

class对象在内存中存储的信息主要包括：

• isa指针
• superclass指针
• 类的属性信息（property），类的成员变量信息（ivar）
• 类的对象方法信息（instance method），类的协议信息（protocol）
• ......

class对象在内存中存储的信息

3> meta-class对象（元类对象）

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // meta-class对象，元类对象
        // 将类对象当做参数传入，获得元类对象
        Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
        // 而调用类对象的class方法时得到还是类对象，无论调用多少次都是类对象
        Class objectMetaClass2 = [[[NSObject class] class] class];
        // 判断该对象是否为元类对象
        BOOL result = class_isMetaClass([NSObject class]);
     }
    return 0;
}

• objectMetaClass是NSObject的meta-class对象；
• 每个类在内存中有且只有一个meta-class对象。

meta-class对象在内存中存储的信息主要包括：

• isa指针
• superclass指针
• 类的类方法信息（class method）
• ......

meta-class对象在内存中存储的信息

• meta-class对象和class对象的内存结构是一样的，但是用途不一样：
• meta-class对象主要存放：类方法
• class对象主要存放：类的属性，类的对象方法、协议、成员变量信息等
• instance对象主要存放：成员变量

补充：objc_getClass、object_getClass、class区别：

 1. Class objc_getClass(const char *aClassName)
 1> 传入字符串类名
 2> 返回对应的类对象
 
 2. Class object_getClass(id obj)
 1> 传入的obj可能是instance对象、class对象、meta-class对象
 2> 返回值
 a) 如果是instance对象，返回class对象
 b) 如果是class对象，返回meta-class对象
 c) 如果是meta-class对象，返回NSObject（基类）的meta-class对象
 
 3. - (Class)class、+ (Class)class
 1> 返回的就是类对象

2. 对象的isa指针指向哪里？

(1) isa指针、superclass指针：

Q: instance对象、class对象、meta-class对象中的isa指针，有何作用？
Q: class对象、meta-class对象中的superclass指针又有何作用？

isa指针指向图示

如上图所示：

• instance的isa指向class
  当调用对象方法时，通过instance的isa找到class，最后找到对象方法的实现进行调用
• class的isa指向meta-class
  当调用类方法时，通过class的isa找到meta-class，最后找到类方法的实现进行调用

superclass指针指向图示1

如上图所示， 当Student的instance对象要调用Person的对象方法时：

1. 首先通过isa找到Student的class；
2. 然后通过superclass找到Person的class；
3. 最后找到对象方法的实现进行调用。

superclass指针指向图示2

如上图所示，当Student的class对象要调用Person的类方法时：

1. 首先通过isa找到Student的meta-class；
2. 然后通过superclass找到Person的meta-class；
3. 最后找到类方法的实现进行调用。

(2) 下图详尽的显示出isa指针、superclass指针的指向：

isa指针、superclass指针指向汇总图示

总结：

• instance的isa指向class
• class的isa指向meta-class
• meta-class的isa指向基类的meta-class
• class的superclass指向父类的class
  如果没有父类，superclass指针为nil
• meta-class的superclass指向父类的meta-class
  基类的meta-class的superclass指向基类的class
• instance调用对象方法的轨迹
  isa找到class，方法不存在，就通过superclass找父类
• class调用类方法的轨迹
  isa找meta-class，方法不存在，就通过superclass找父类

(3) 验证：

1> 首先验证object的isa指针是否指向objectClass：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
        Class objectClass = [NSObject class];
        Class objectMetaClass = object_getClass(objectClass);

        NSLog(@"%p %p %p", object, objectClass, objectMetaClass);
    }
    return 0;
}

通过打断点打印相应对象的isa指针：

objec的isa指针和objectClass的地址

Q: 为什么object的isa指针和objectClass的地址不同呢？

查看OC源码发现：

ISA_MASK

从64bit开始，isa需要进行一次位运算，才能计算出真实地址

那么进行位运算：

isa位运算得出的真实地址

object的isa指针地址0x001dffff96537141与0x00007ffffffffff8进行位运算，得到0x00007fff96537140，与objectClass的地址相同；验证完成。

2> 再验证objectClass的isa指针是否指向objectMetaClass：

通过打印objectClass->isa：

p/x objectClass->isa error

无法获得结果，根据提示进入Class内部查看：

Class

objc_class结构体内部第一个对象是isa指针，为了获取isa指针，我们通过创建一个相同结构的结构体并通过强制转化拿到isa指针：

struct my_object_class {
    Class isa;
};

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        Class objectClass = [NSObject class];
        Class objectMetaClass = object_getClass(objectClass);
        struct my_object_class *objectClass2 = (__bridge struct my_object_class *)(objectClass);
     }
    return 0;
}

那么进行位运算：

isa位运算得出的真实地址

objectClass的isa指针地址0x001dffff8b42d0f1与0x00007ffffffffff8进行位运算，得到0x001dffff8b42d0f0，与meta-class的地址相同；验证完成。