一枚粘、通過源碼理解instance(實(shí)例對象) 荣茫、class object （類對象）厂捞、metaclass（元類對象）

蘋果開源代碼(https://opensource.apple.com/tarballs/)

1.instance 實(shí)例對象

1.1定義

實(shí)例對象是通過類alloc出來的對象，每次調(diào)用alloc都會(huì)產(chǎn)生新的實(shí)例對象

NSObject *object1 = [[NSObject alloc] init];
NSObject *object2 = [[NSObject alloc] init];

以上object1檀葛、object2都是實(shí)例對象玩祟，占用兩塊兒不同的內(nèi)存

1.2、底層實(shí)現(xiàn)

首先屿聋，終端定位到需要轉(zhuǎn)化文件的文件夾下空扎，用以下命令行將OC代碼轉(zhuǎn)成C++/C代碼

xcrun  -sdk  iphoneos  clang  -arch  arm64  -rewrite-objc  OC源文件  -o  輸出的CPP文件

以NSObject對象為例，我們用以上方法看看它的底層實(shí)現(xiàn)

int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
    NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
}
return 0;
}

轉(zhuǎn)成C++代碼后润讥，我們找到了這個(gè)對象的實(shí)現(xiàn)

struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
//Class是指針類型转锈，指向objc_class類型的結(jié)構(gòu)體
typedef struct objc_class *Class;

obj對象內(nèi)部實(shí)際上只有一個(gè)isa指針，指向objc_class類型的結(jié)構(gòu)體楚殿。 那isa指針到底指向誰撮慨，它又有什么用呢？ 在下文中我們會(huì)講到

1.3勒魔、更復(fù)雜的繼承結(jié)構(gòu)

我們舉一反三甫煞，設(shè)計(jì)一個(gè)父類Father，繼承于NSObject冠绢，再設(shè)計(jì)一個(gè)子類son繼承于父類抚吠，看看他們的底層實(shí)現(xiàn)

@interface Father : NSObject {
    int _age;
}
@end

@interface Son : Father {
   double _height;
}
@end

把代碼轉(zhuǎn)成C++，看看內(nèi)部實(shí)現(xiàn)弟胀。直接查找類名_IMPL

struct Father_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    int _age;
};

struct Son_IMPL {
    struct Father_IMPL Father_IVARS; 
    double _height;
};

上述代碼相當(dāng)于

struct Father_IMPL {
    Class isa;
    int _age;
};

struct Son_IMPL {
    Class isa;
    int _age;
    double _height;
};

所以實(shí)例對象的本質(zhì)是結(jié)構(gòu)體楷力，（在c++文件中查找類名_IMPL就能找到這個(gè)結(jié)構(gòu)體）喊式，里面有一個(gè)isa指針和其他成員變量。所以實(shí)例對象在內(nèi)存中存儲(chǔ)的內(nèi)容是 isa指針 + 其他成員變量萧朝。

如下圖

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我們平時(shí)說打印出來的實(shí)例對象的地址開始就是指的是isa的地址岔留，即isa的地址排在最前面，就是我們實(shí)例對象的地址

2检柬、class-類對象

從第一部分我們了解到献联，實(shí)例對象只存儲(chǔ)isa指針和成員變量，那類里面的方法啊何址，屬性啊等等一些類信息存放在哪里里逆？為什么這些信息沒有存放在實(shí)例對象里？

因?yàn)閷?shí)例對象可能有很多個(gè)用爪，不可能每創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例對象都存一份方法原押、屬性.....的。 這些只需要存一份就可以了偎血。一個(gè)類有且只有一個(gè)類對象诸衔。把屬性啊方法啊等信息存在類對象中也再合適不過了。

2.1 創(chuàng)建類對象

NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
Class objClass1 = [NSObject class];
Class objClass2 = [obj class];
Class objClass3 = object_getClass(obj);

我們可以打印一下颇玷，objClass1,objClass12,objClass13他們的內(nèi)存地址都是一樣的笨农。也驗(yàn)證了一個(gè)類有且一有一個(gè)類對象

2.2 類對象的本質(zhì)

7819764-55a4e660ba37ea51.png

如上我們可以看出，類對象中存放了
1亚隙、isa指針
2磁餐、super指針
3、類的屬性信息（@property）阿弃、類的對象方法信息（instance method）
4、類的協(xié)議信息（protocol）羞延、類的成員變量信息（ivar）
........

類對象里面也有一個(gè)isa指針渣淳，還有一個(gè)super指針，那他們分別指向哪里伴箩，又有什么作用呢入愧？ 我們稍后就會(huì)講到。 當(dāng)然這里還有一個(gè)疑問嗤谚，既然類對象里面存放的是對象方法信息棺蛛，那類方法信息存放在哪里呢？

22813661-8d5f2056e0a8a28b.png

3巩步、meta-class-元類對象

構(gòu)建

 Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);

如上旁赊，objectMetaClass 就是 NSObject的元類對象，并且 每個(gè)類只有一個(gè)元類對象
元類對象和類對象的結(jié)構(gòu)是一樣的椅野，都是objc_class類型的結(jié)構(gòu)體终畅，元類對象存放類方法信息
1籍胯、isa指針
2、super指針
3离福、類的類方法信息（class method）
.........
meta-class對象和class對象的內(nèi)存結(jié)構(gòu)是一樣的杖狼，所以meta-class中也有類的屬性信息，類的對象方法信息等成員變量妖爷，但是其中的值可能是空的蝶涩。

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4、isa指針和super指針

實(shí)例對象絮识，類對象绿聘，元類對象中都有isa指針，類對象和元類對象中有super指針笋除。他們分別指向哪里斜友？

4.1、 實(shí)例對象的isa指針指向

eg1：子類Son中有一個(gè)實(shí)例方法- (void)sonTest 垃它，創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例對象son鲜屏，然后用這個(gè)對象調(diào)用方法[son sonTest];。

類對象中存儲(chǔ)著實(shí)例方法信息国拇。當(dāng)實(shí)例對象調(diào)用實(shí)例方法時(shí)
實(shí)例方法存儲(chǔ)在類對象中洛史。實(shí)例對象調(diào)用實(shí)例方法時(shí)，實(shí)例對象對象通過isa指針找到類對象酱吝，進(jìn)而找到類對象中相應(yīng)的實(shí)例方法進(jìn)行調(diào)用也殖。
實(shí)例對象的isa指針指向它的類對象。

4.2务热、類對象的isa指針指向

元類對象中存儲(chǔ)著類方法信息忆嗜。當(dāng)類對象調(diào)用類方法時(shí)，類對象通過isa指針找到元類對象崎岂，進(jìn)而找到元類對象中相應(yīng)的類方法進(jìn)行調(diào)用捆毫，類對象的isa指針指向它的元類對象。

4.3冲甘、元類對象的isa指針指向

元類對象的isa指針指向基類的元類對象（eg：Son的元類對象和Father的元類對象都指向NSObject的元類對象）

4.4绩卤、類對象的super指針指向

eg4：父類Father中有一個(gè)實(shí)例方法- (void)fatherTest ，創(chuàng)建一個(gè)子類實(shí)例對象son江醇，然后用這個(gè)對象調(diào)用方法[son fatherTest];濒憋。

從4.1我們知道，son對象的isa指針會(huì)找到它的類對象陶夜，但是類對象中沒有fatherTest這個(gè)對象方法凛驮，所以類對象會(huì)通過它的super指針找到父類的類對象，而fatherTest這個(gè)方法是存放在Father的類對象中的律适，進(jìn)而調(diào)用辐烂。類對象的super指針是指向父類的類對象的遏插。
特例：當(dāng)這個(gè)類沒有父類時(shí)（基類），則指向nil

4.5纠修、元類對象的super指針指向

元類對象的super指針指向父類的元類對象
特例：基類的元類對象super指針指向基類的類對象

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總結(jié)如下：

• instance的isa指向class
• class的isa指向meta-class
• meta-class的isa指向基類的meta-class
• class的superclass指向父類的class
  如果沒有父類胳嘲，superclass指針為nil
• meta-class的superclass指向父類的meta-class
  基類的meta-class的superclass指向基類的class
• instance調(diào)用對象方法的軌跡
  isa找到class，方法不存在扣草，就通過superclass找父類
• class調(diào)用類方法的軌跡
  isa找meta-class了牛，方法不存在，就通過superclass找父類

二辰妙、通過object_getClass探究isa指針指向問題

介紹幾個(gè)函數(shù)

objc_getMetaClass(const char * _Nonnull name)
    OBJC_AVAILABLE(10.0, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
object_getClass(id _Nullable obj) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
class_isMetaClass(Class _Nullable cls) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
- (Class)superclass
+ (Class)class

• objc_getMetaClass用于獲取元類對象
• class_isMetaClass用于判斷Class對象是否為元類
• object_getClass用于獲取對象的isa指針指向的對象
• -(Class)superclass 用于獲取對象的superclass指針?biāo)赶虻膶ο?/li>
• +(Class)class 獲取類對象

1.有代碼如下：

    // EDStudent 繼承于 EDPerson 鹰祸，EDPerson 繼承于 NSObject
    NSObject *object1 = [[NSObject alloc] init]; // 基類 實(shí)例對象
    Class object2 = object_getClass(object1); // object1 的isa指針 所指向的對象
    Class object3 = object_getClass(object2); // object2 的isa指針 所指向的對象
    Class object4 = [NSObject class]; // 基類 類對象
    Class object5 = objc_getMetaClass("NSObject"); //基類 元類對象
    Class object6 = object_getClass(object5); // 元類對象的isa指針 所指向的對象
    NSLog(@"runtimeTest1 %p %p %p %p %p %p %d",object1,object2,object3,object4,object5,object6,class_isMetaClass(object3));

運(yùn)行結(jié)果如下：

runtimeTest1 0x60000311c410 0x7fff86b6c660 0x7fff86b6c638 0x7fff86b6c660 0x7fff86b6c638 0x7fff86b6c638 1

上文我們不難發(fā)現(xiàn)，object2 和object4 的內(nèi)存地址是一樣的密浑，object3蛙婴、object5、object6的內(nèi)存地址是一樣的尔破，object4 是類對象街图，object5是元類對象~

也就是說基類的實(shí)例對象object1的isa指針是指向基類的類對象object2(object4),基類的類對象object2的isa指針是指向基類的元類對象object3(object5),基類的元類對象object5的isa指針指向基類的元類對象本身object6(object5)

2.有代碼如下

    // EDStudent 繼承于 EDPerson ，EDPerson 繼承于 NSObject
    EDPerson *p1 = [[EDPerson alloc] init]; // 實(shí)例對象
    Class p2 = object_getClass(p1); // p1 的isa指針 所指向的對象
    Class p3 = object_getClass(p2); // p2 的isa指針 所指向的對象
    Class p4 = [EDPerson class]; // 類對象
    Class p5 = objc_getMetaClass("EDPerson"); // 元類對象
    Class p6 = object_getClass(p5); // 元類對象p5的isa指針 所指向的對象
    Class objc = objc_getMetaClass("NSObject"); // 基類 元類對象
    NSLog(@"runtimeTest2 %p %p %p %p %p %p %p %d",p1,p2,p3,p4,p5,p6,objc,class_isMetaClass(p3));

運(yùn)行結(jié)果如下：

runtimeTest2 0x600003b339a0 0x1066168b0 0x106616888 0x1066168b0 0x106616888 0x7fff86b6c638 0x7fff86b6c638 1

上文我們不難發(fā)現(xiàn)懒构，p2和p4的內(nèi)存地址一樣餐济，p3和p5的內(nèi)存地址一樣，p6和objc內(nèi)存地址一樣胆剧，p4是類對象絮姆，p5是元類對象，objc是基類的元類對象

也就是說 實(shí)例對象的isa指針是指向類對象的秩霍，類對象的isa指針是指向元類對象的篙悯，元類對象的isa指針是指向基類的元類對象

綜上：
實(shí)例對象的isa指針是指向類對象，類對象的isa指針是指向元類對象铃绒，元類對象的isa指針都是指向基類的元類對象

3.有代碼如下

    // EDStudent 繼承于 EDPerson 辕近，EDPerson 繼承于 NSObject
    Class objc1 = [EDStudent class];  // EDStudent 類對象 objc1
    Class objc2 = [objc1 superclass]; // objc1 的 superclass指針 所指向的對象 (EDPerson 類對象) objc2
    Class objc3 = [objc2 superclass]; // objc2 的 superclass指針 所指向的對象 (NSObject 類對象) objc3
    Class objc4 = [objc3 superclass]; // objc3 的 superclass指針 所指向的對象 (nil) objc4
    
    Class objc5 = [EDPerson class]; // EDPerson 類對象 objc5
    Class objc6 = [NSObject class]; // NSObject 類對象 objc6
    
    NSLog(@"runtimeTest3 %p %p %p %p %p %p",objc1,objc2,objc3,objc4,objc5,objc6);

運(yùn)行結(jié)果如下：

runtimeTest3 0x102965950 0x102965900 0x7fff86b6c660 0x0 0x102965900 0x7fff86b6c660

上文我們不難發(fā)現(xiàn)，objc2匿垄、objc5內(nèi)存地址一樣，objc3归粉、objc6內(nèi)存地址一樣椿疗，objc4是nil。objc5 是EDPerson類對象糠悼，objc6 是NSObject類對象届榄。

也就是說子類EDStudent的類對象的superclass指針是指向父類EDPerson的類對象，父類EDPerson的類對象的superclass指針是指向基類NSObject的類對象倔喂，基類NSObject的類對象的superclass指針是指向nil

4.有代碼如下

    // EDStudent 繼承于 EDPerson 铝条，EDPerson 繼承于 NSObject
    Class objc1 = objc_getMetaClass("EDStudent"); // EDStudent 元類對象 objc1
    Class objc2 = [objc1 superclass]; // objc1 的 superclass指針 所指向的對象 (EDPerson 元類對象)
    Class objc3 = [objc2 superclass]; // objc2 的 superclass指針 所指向的對象 (NSObject 元類對象)
    Class objc4 = [objc3 superclass]; // objc3 的 superclass指針 所指向的對象 (NSObject 類對象) 基類的元類對象的superclass指針是指向基類的類對象的
    
    Class objc5 = objc_getMetaClass("EDPerson"); // EDPerson 元類對象 objc5
    Class objc6 = objc_getMetaClass("NSObject"); // NSObject 元類對象 objc6
    Class objc7 = [NSObject class]; // NSObject 類對象 objc7
    
    NSLog(@"runtimeTest4 %p %p %p %p %p %p %p",objc1,objc2,objc3,objc4,objc5,objc6,objc7);

運(yùn)行結(jié)果如下：

runtimeTest4 0x102965928 0x1029658d8 0x7fff86b6c638 0x7fff86b6c660 0x1029658d8 0x7fff86b6c638 0x7fff86b6c660

上文不難發(fā)現(xiàn)靖苇，objc2、objc5內(nèi)存地址一樣班缰，objc3贤壁、objc6內(nèi)存地址一樣，objc4埠忘、objc7內(nèi)存地址一樣脾拆。objc5是EDPerson元類對象，objc6是NSObject元類對象莹妒，objc7是NSObject類對象

也就是說名船，子類EDStudent的元類對象的superclass指針是指向父類EDPerson的元類對象，父類EDPerson的元類對象的superclass指針指向基類NSObject的元類對象旨怠，基類的元類對象的superclass指針指向基類NSObject的類對象

綜上：
子類的類對象的superclass指針是指向父類的類對象渠驼，父類的類對象的superclass指針指向基類的類對象，基類的類對象的superclass指針是指向nil
子類的元類對象的superclass指針是指向父類的元類對象鉴腻，父類的元類對象的superclass指針是指向基類的元類對象迷扇，基類的元類對象的superclass指針是指向基類的類對象

三、實(shí)例方法和類方法的調(diào)用

有代碼如下：

@interface NSObject (runtime)
- (void)test;
+ (void)test;
@end

@implementation NSObject (runtime)
- (void)test{
    NSLog(@"NSObject 實(shí)例方法 Test 執(zhí)行");
}
+ (void)test{
    NSLog(@"NSObject 類方法 Test 執(zhí)行");
}
@end

@interface EDPerson : NSObject

@end

@implementation EDPerson
- (void)test {
    NSLog(@"EDPerson 實(shí)例方法 Test 執(zhí)行");
}
+ (void)test{
    NSLog(@"EDPerson 類方法 Test 執(zhí)行");
}
@end

@interface EDStudent : EDPerson

@end

@implementation EDStudent
- (void)test {
    NSLog(@"EDStudent 實(shí)例方法 Test 執(zhí)行");
}
+ (void)test{
    NSLog(@"EDStudent 類方法 Test 執(zhí)行");
}
@end

- (void)runtimeTest5 {
    [[EDStudent new] test];
    [EDStudent test];
}

當(dāng)前控制臺(tái)會(huì)打印“ EDStudent 實(shí)例方法 Test 執(zhí)行 ” 和 “EDStudent 類方法 Test 執(zhí)行”
如果注釋掉EDStudent類的- (void)test 和+ (void)test拘哨，控制臺(tái)會(huì)打印 “EDPerson 實(shí)例方法 Test 執(zhí)行”和“EDPerson 類方法 Test 執(zhí)行”
如果再注釋掉EDPerson類的- (void)test 和+ (void)test谋梭，控制臺(tái)會(huì)打印“NSObject 實(shí)例方法 Test 執(zhí)行” 和 “NSObject 類方法 Test 執(zhí)行”
如果此時(shí)再注釋掉NSObject類的+ (void)test，此時(shí)[EDStudent test] 并不會(huì)報(bào)錯(cuò)倦青，控制臺(tái)會(huì)打印“NSObject 實(shí)例方法 Test 執(zhí)行” 和 “NSObject 實(shí)例方法 Test 執(zhí)行”

綜上：
實(shí)例方法的調(diào)用軌跡：實(shí)例對象通過isa指針找到類對象瓮床，在類對象的方法列表中查找該方法，如果找不到产镐，就通過superclass指針繼續(xù)向上查找隘庄。
類方法的調(diào)用軌跡：類對象通過isa指針找到元類對象，在元類對象的方法列表中查找該方法癣亚，如果找不到丑掺，就通過superclass指針繼續(xù)向上查找。

四述雾、相關(guān)知識(shí)點(diǎn)

在蘋果開源代碼(https://opensource.apple.com/tarballs/)中下載objc4

1. class

代碼如下：

    Class objc1 = [EDStudent class];
    Class objc2 = [[EDStudent new] class];
    NSLog(@"runtimeTest6 %p %p",objc1,objc2);

運(yùn)行結(jié)果：

runtimeTest6 0x10ae388c0 0x10ae388c0

我們不難發(fā)現(xiàn)街州，objc1 和 objc2的內(nèi)存地址是一樣的
為什么呢，我們看下源碼

• object_getClass

Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

object_getClass 返回的是當(dāng)前對象的isa指針?biāo)赶虻膶ο?/strong>

+ (Class)class {
    return self;
}

- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}

    Class objc1 = [EDStudent superclass];
    Class objc2 = [[EDStudent new] superclass];
    NSLog(@"runtimeTest7 %p %p",objc1,objc2);

runtimeTest7 0x10ae38870 0x10ae38870

+ (Class)superclass {
    return self->getSuperclass();
}

- (Class)superclass {
    return [self class]->getSuperclass();
}

    BOOL res1 = [[EDStudent new] isKindOfClass:[EDStudent class]];
    BOOL res2 = [[EDStudent class] isKindOfClass:[EDStudent class]];
    BOOL res3 = [[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];
    NSLog(@"runtimeTest8 %d %d %d",res1,res2,res3);

runtimeTest8 1 0 1

    BOOL res1 = [[EDStudent new] isMemberOfClass:[EDStudent class]];
    BOOL res2 = [[EDStudent class] isMemberOfClass:[EDStudent class]];
    BOOL res3 = [[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];
    NSLog(@"runtimeTest9 %d %d %d",res1,res2,res3);

runtimeTest9 1 0 0

+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = self->ISA(); tcls; tcls = tcls->getSuperclass()) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->getSuperclass()) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return self->ISA() == cls;
}

- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return [self class] == cls;
}