iOS 类的结构分析（上）

2020-09-14  本文已影响0人  远方竹叶

类的初探

在我们平常的 iOS 开发中，类和对象是出现很高频的名词，在之前的isa 底层结构分析 中介绍了对象，那么类到底是什么呢？它的内部结构如何？怎么探索呢？今天我们就来揭开它神秘的面纱

准备工作

首先我们定义两个类，LCPerson，LCTeacher，且 LCTeacher 继承于 LCPerson

@interface LCPerson : NSObject {
    NSString *name;
}

@property (nonatomic, copy) NSString *nickname;

- (void)sayHello;
+ (void)say666;

@end

@implementation LCPerson

- (void)sayHello {
}

+ (void)say666 {
}

@end

@interface LCTeacher : LCPerson
@end

@implementation LCTeacher
@end

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

LLDB 调试

在以上的过程中，为什么会打印两次 LCPerson、NSObject，再之后就一直打印 NSObject ？

所以，上述打印两个 LCPerson 的根本原因就是因为元类导致的

元类

类存在几份

从上面的我们可以看到，最后的根元类打印了很多份，那么他们是同一份吗？与我们开发中的 NSObject 是同一份吗？

验证方式

通过三种不同的方式获取类，看他们打印的地址是否相同

Class class1 = [LCPerson class];
Class class2 = [LCPerson alloc].class;
Class class3 = object_getClass([LCPerson alloc]);
NSLog(@"\n%p-\n%p-\n%p-\n%p", class1, class2, class3);

运行代码，打印结果如下

从结果中可以看出，打印的地址都是同一个，所以 NSObject 只有一份，即 NSObject（根元类）在内存中永远只存在一份

总结：类的信息在内存中永远只存在一份，所以 类对象 只有一份

isa 的走位

根据上面的探索以及各种验证，对象、类、元类、根元类 的关系如下图所示

⚠️实例对象之间没有继承关系，类之间才有继承关系

objc_object vs objc_class

为什么 对象 和 类 都有 isa 属性呢？首先我们去源码查看他们的底层结构

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }
    ...//很长，省略
}

⚠️objc_class 的定义有两个版本，早期的版本已经被废弃，使用最新本的定义是在 objc-runtime-new.h 中，后面的分析也是基于最新版的

此时，我们可一得知，objc_class 是一个继承于 objc_object 的结构体，在源码中搜索 objc_object 的定义

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

objc_object 与 对象 的关系

总结

类的内存分布

在探索之前我们并不知道类的结构是什么样子的，进入源码

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA; 
    Class superclass; 
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
    
    //....方法部分省略，未贴出
}

从上面我们可以得知，objc_class 有 三个属性：superclass、cache、bits，因为继承自 objc_object，所以它会有一个默认的属性 isa，如果我们想要查看属性 bits 的内部结构，此时我们要怎么操作呢？

我们知道，获取一个类，就是获取它的首地址（即 isa），然后根据首地址平移前面属性占用的内存和来获取其他的属性（即属性 bits 的地址=首地址 + isa 的内存大小 + superclass 的内存大小 + cache 的内存大小）

拓展-内存偏移

1.普通变量
int a = 10; 
int b = 10;
NSLog(@"%d -- %p", a, &a);
NSLog(@"%d -- %p", b, &b);

打印结果如下

2.对象指针
LCPerson *p1 = [LCPerson alloc]; 
LCPerson *p2 = [LCPerson alloc];
NSLog(@"%d -- %p", p1, &p1);
NSLog(@"%d -- %p", p2, &p2);

打印结果如下

3.数组指针
int c[4] = {1, 2, 3, 4};
int *d = c;
NSLog(@"%p -- %p - %p", &c, &c[0], &c[1]);
NSLog(@"%p -- %p - %p", d, d+1, d+2);

打印结果如下

获取 bits

计算前面三个属性的内存大小

cache_t 的源码定义 ，有如下属性

explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;
explicit_atomic<mask_t> _mask;
uint16_t _flags;
uint16_t _occupied;

想要获取 bits 的信息，需要将类的地址平移 32 字节才可以获取到

class_rw_t *data() const {
    return bits.data();
}

bits 中存储的信息，其类型是 class_rw_t，也是一个结构体类型。里面存储类的 属性列表、方法列表、协议列表 等

    const method_array_t methods() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>()->methods;
        } else {
            return method_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseMethods()};
        }
    }

    const property_array_t properties() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>()->properties;
        } else {
            return property_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseProperties};
        }
    }

    const protocol_array_t protocols() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>()->protocols;
        } else {
            return protocol_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseProtocols};
        }
    }
属性列表

在上述基础上，通过 class_rw_t 的源码定义，探索 bits 中的 属性列表

获取 LCPerson 中的成员变量 name， 发现会报错，提示数组越界了，说明 property_list 中只有 一个属性 nickname。

方法列表

在获取第五个方法，也会报错，提示数组越界

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