iOS-底層原理8：類 & 類結(jié)構(gòu)分析

類與對(duì)象的關(guān)系

關(guān)于類和對(duì)象的關(guān)系，對(duì)于它的理解可能停留在對(duì)象是類創(chuàng)建(alloc,new)出來(lái)的這種很淺層的關(guān)系上局服，如果要深挖出背后的秘密葛超，還是得從地址和內(nèi)存入手官扣，接下來(lái)就一步步探索。

step1: 創(chuàng)建一個(gè)繼承于NSObject的LBHPerson類

//.h  文件
@interface LBHPerson : NSObject

@end

//.m 文件

#import "LBHPerson.h"

@implementation LBHPerson

@end

step2: 在main.m在導(dǎo)入#import "LBHPerson.h"頭文件芙委，并創(chuàng)建一個(gè)person對(duì)象乞旦，并打上斷點(diǎn)

step3: 通過(guò)lldb輸出person相關(guān)信息

lldb命令在內(nèi)存對(duì)齊一文中講過(guò)

通過(guò)isa獲取獲取類信息在isa與類關(guān)聯(lián)的原理一文中講過(guò)

0x001d8001000081d1 & 0x00007ffffffffff8ULL

繼續(xù)通過(guò)step3中類的isa獲取類信息得到的是什么呢？

step4: 通過(guò)類的isa獲取對(duì)應(yīng)的類（元類）

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)po 0x0000000105d84c70與po 0x0000000105d84c48得到的結(jié)果是一樣的题山，都是LBHPerson兰粉，兩個(gè)不同的地址指向同一個(gè)類，0x0000000105d84c48是類0x0000000105d84c70的isa通過(guò)獲取類信息得到的顶瞳，我們稱之為元類玖姑。

元類的說(shuō)明

我們知道 對(duì)象的isa 指向類，其實(shí)類也是一個(gè)對(duì)象慨菱，可以稱為類對(duì)象焰络，其isa的位域指向蘋果定義的元類

元類是系統(tǒng)給的，其定義和創(chuàng)建都是由編譯器完成符喝，在這個(gè)過(guò)程中闪彼，類的歸屬來(lái)自于元類
元類是類對(duì)象的類，每個(gè)類都有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的元類用來(lái)存儲(chǔ) 類方法的相關(guān)信息协饲。
元類本身是沒(méi)有名稱的畏腕，由于與類相關(guān)聯(lián)，所以使用了同類名一樣的名稱

step5:繼續(xù)通過(guò)元類的isa指向 根元類

元類的isa指向根元類NSObject

step6: 根元類的isa指向茉稠？

根元類的isa指向自己

可以得出一個(gè)關(guān)系鏈：對(duì)象 --> 類 --> 元類 --> NSObject, NSObject 指向自身

一個(gè)類在內(nèi)存中會(huì)不會(huì)存在多份描馅？

以LBHPerson為例

通過(guò)對(duì)象person的isa獲取到的類信息地址與LBHPerson.class獲取到的地址是相同的，這意味一個(gè)類在內(nèi)存中不會(huì)存在多份而线，這個(gè)結(jié)論是否正確呢铭污？我們來(lái)驗(yàn)證一下：

`way1:` 通過(guò)幾種獲取類對(duì)象的方式

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

運(yùn)行結(jié)果

三種方式獲取到的類對(duì)象地址相同恋日，即類在內(nèi)存中只有一份

isa走位與繼承關(guān)系圖

isa關(guān)系

示例對(duì)象的isa指針類對(duì)象
類對(duì)象的isa指向元類對(duì)象
元類對(duì)象的isa指向根元類
根元類的isa指向它自己本身，從而形成了閉環(huán)

繼承關(guān)系

類對(duì)象的繼承關(guān)系
- 類繼承于它的父類
- 父類繼承它的父類
  ...
- 直到找到根類嘹狞，也就是NSObject
- NSObject 則繼承于nil岂膳，這也就是所有的根源，即無(wú)中生有
元類的繼承關(guān)系
- 子類的元類繼承與父類的元類
- 父類的元類繼承它的父類的元類
  ...
- 直到找到根元類
- 而根元類則是繼承于NSObject

【注意】實(shí)例對(duì)象之間沒(méi)有繼承關(guān)系磅网，類之間有繼承關(guān)系

舉例說(shuō)明

新建一個(gè)LBHTeacher類繼承與LBHPerson谈截，在main函數(shù)中實(shí)例化

//.h
@interface LBHTeacher : LBHPerson
@end

//.m
#import "LBHTeacher.h"
@implementation LBHTeacher
@end

//main
LBHPerson *person = [LBHPerson alloc];
LBHTeacher *teacher = [LBHTeacher alloc];

它們對(duì)應(yīng)的isa走位和繼承圖

isa 走位鏈（兩條）
- teacher的isa走位鏈：teacher(子類對(duì)象) --> LBHTeacher(子類)-->LBHTeacher(子元類) --> NSObject(根元類) --> NSObject(根元類，即自己)
- person的isa走位鏈：person(父類對(duì)象) --> LBHPerson(父類)--> LBHPerson(父元類) --> NSObject(根元類) --> NSObject(根元類知市，即自己)
superclass繼承鏈（兩條）
- 類的繼承關(guān)系鏈：LBHTeacher(子類) --> LBHPerson(父類) --> NSObject(根類)--> nil
- 元類的繼承關(guān)系鏈：LBHTeacher(子元類) --> LBHPerson(父元類) --> NSObject(根元類)--> NSObject(根類)--> nil

對(duì)象的本質(zhì)

對(duì)象的本質(zhì)其實(shí)就是結(jié)構(gòu)體，而編譯到底層會(huì)發(fā)現(xiàn)包含一個(gè)objc_class結(jié)構(gòu)體類型的變量

為什么 對(duì)象 和 類都有isa屬性呢速蕊？

在在isa與類關(guān)聯(lián)的原理一文中使用clang編譯過(guò)main.m文件嫂丙，從編譯后的c++文件中可以看到如下c++源碼:

//LGPerson的底層編譯
struct LBHPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
};

//NSObject 的底層編譯
struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

typedef struct objc_class *Class;

在c++底層OC層面的繼承實(shí)際上是子類結(jié)構(gòu)體包含一個(gè)父類結(jié)構(gòu)體作為成員變量

我們對(duì)c++源碼進(jìn)一步進(jìn)行分析

step1: 在objc4源碼中搜索objc_class

objc_class

通過(guò)源碼可以看出 objc_class 其實(shí)就是繼承自 objc_object。

step2: 在objc4源碼中搜索objc_object

objc_object

objc_class 與 objc_object 有什么關(guān)系规哲？

結(jié)構(gòu)體類型objc_class 繼承自objc_object類型跟啤，其中objc_object也是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，且有一個(gè)isa屬性唉锌，所以objc_class也擁有了isa屬性
mian.cpp底層編譯文件中隅肥，NSObject中的isa在底層是由Class 定義的，其中class的底層編碼來(lái)自 objc_class類型袄简，所以NSObject也擁有了isa屬性

objc_object 與 對(duì)象的關(guān)系 (百度面試題)

對(duì)象繼承于objc_object腥放，而objc_class繼承于objc_object，所以對(duì)象繼承與objc_object

總結(jié)

所有的對(duì)象 + 類 + 元類 都有isa屬性
所有的對(duì)象都是由objc_object繼承來(lái)的
簡(jiǎn)單概括就是萬(wàn)物皆對(duì)象绿语，萬(wàn)物皆來(lái)源于objc_object秃症，有以下兩點(diǎn)結(jié)論：
- 所有以 objc_object為模板創(chuàng)建的對(duì)象，都有isa屬性
- 所有以objc_class為模板吕粹，創(chuàng)建的類种柑，都有isa屬性
在結(jié)構(gòu)層面可以通俗的理解為上層OC 與 底層的對(duì)接：
- 下層是通過(guò) 結(jié)構(gòu)體 定義的 模板，例如objc_class匹耕、objc_object
- 上層是通過(guò)底層的模板創(chuàng)建的一些類型聚请，例如LBHPerson

objc_class、objc_object稳其、isa驶赏、object、NSObject的關(guān)系如圖所示:

類結(jié)構(gòu)的分析

探索類結(jié)構(gòu)時(shí)既鞠，我們并不是很清楚里面有些什么母市，但是我們可以通過(guò)類得到一個(gè)首地址，然后通過(guò)地址平移去獲取里面所有的值损趋。

前面我們已經(jīng)在objc4找到objc_class源碼

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA; //8字節(jié)
    Class superclass; //Class 類型 8字節(jié)
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
    
    //....方法部分省略患久，未貼出
}

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

對(duì)應(yīng)objc_class的結(jié)構(gòu)圖

objc_class

isa屬性：繼承自objc_object的isa椅寺，是一個(gè)指針，占 8字節(jié)
superclass 屬性：Class類型蒋失，Class是由objc_object定義的返帕，是一個(gè)指針，占8字節(jié)
cache屬性：從類型cache_t目前無(wú)法得知篙挽，而cache_t是一個(gè)結(jié)構(gòu)體類型荆萤，結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存大小需要根據(jù)內(nèi)部的屬性來(lái)確定，而結(jié)構(gòu)體指針才是8字節(jié)
bits屬性：只有首地址經(jīng)過(guò)上面3個(gè)屬性的內(nèi)存大小總和的平移铣卡，才能獲取到bits

計(jì)算cache大小

進(jìn)入cache_t的定義

// 結(jié)構(gòu)體字節(jié)大小链韭，看里面的成員變量，而大部分都是 static 和方法都不存在結(jié)構(gòu)體里面
struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;  // 結(jié)構(gòu)體指針 8 字節(jié)
    explicit_atomic<mask_t> _mask;  //是mask_t 類型煮落，而 mask_t 是 unsigned int 的別名敞峭，占4字節(jié)
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets; //是指針，占8字節(jié)
    mask_t _mask_unused; //是mask_t 類型蝉仇，而 mask_t 是 uint32_t 類型定義的別名旋讹，占4字節(jié)
#if __LP64__
    uint16_t _flags; //是uint16_t類型，uint16_t是 unsigned short 的別名轿衔，占 2個(gè)字節(jié)
#endif
    uint16_t _occupied; //是uint16_t類型沉迹，uint16_t是 unsigned short 的別名，占 2個(gè)字節(jié)

    // 方法代碼過(guò)多害驹，自動(dòng)省略
    ...
};

可以得到cache占16字節(jié)

bits

bits的位置

objc_class中前三個(gè)屬性的大小為：8+8+16=32鞭呕，所以想獲取bits中的信息可以通過(guò)首地址偏移32字節(jié)獲得。

獲取bits內(nèi)容

先看下bits的結(jié)構(gòu)

struct class_data_bits_t {
    friend objc_class;

    // Values are the FAST_ flags above.
    uintptr_t bits;

     // 代碼過(guò)多宛官，自動(dòng)省略
    ...
public:

    class_rw_t* data() const {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
    // 代碼過(guò)多琅拌，自動(dòng)省略
    ...
};

class_rw_t

struct class_rw_t {
    // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
    uint32_t flags;
    uint16_t witness;
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    uint16_t index;
#endif

    explicit_atomic<uintptr_t> ro_or_rw_ext;

    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;

    // 省略過(guò)多的代碼  
    ...

    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};
        }
    }
};

可以看出，我們可以通過(guò)class_rw_t結(jié)構(gòu)體中提供的methods()摘刑、properties()进宝、protocols()獲取到對(duì)應(yīng)的方法、屬性和協(xié)議枷恕。

既然知道可以獲取到對(duì)應(yīng)的方法党晋、屬性和協(xié)議，那就給LBHPerson類添加一些方法和屬性

//.h
{
    NSString *nickName;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;

- (void)test1;
+ (void)test2;

//.m
- (void)test1
{
    NSLog(@"%s",__func__);
}
+ (void)test2
{
    NSLog(@"%s",__func__);
}

接下來(lái)我們通過(guò)lldb調(diào)試來(lái)查找對(duì)應(yīng)的class_data_bist_t bits徐块，查看相應(yīng)的信息未玻。

獲取bits

其中的data()獲取數(shù)據(jù)，是由objc_class提供的方法

data()

獲取屬性列表

p $3.properties()命令中的properties方法是由class_rw_t提供的,方法中返回的實(shí)際類型為property_array_t
由于list的類型是property_list_t胡控，是一個(gè)指針扳剿，所以通過(guò) p *$5獲取內(nèi)存中的信息，同時(shí)也證明bits中存儲(chǔ)了 property_list昼激，即屬性列表

在獲取第二個(gè)屬性時(shí)出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)庇绽，數(shù)組越界锡搜，我們定義的nickName呢？

這類補(bǔ)充下成員變量瞧掺、實(shí)例變量耕餐、屬性的區(qū)別？
成員變量：在{ }中所聲明的變量都是成員變量(實(shí)例變量是一種特殊的成員變量)
實(shí)例變量：成員變量的一種辟狈，由類聲明的對(duì)象
屬性：@property修飾肠缔，編譯器會(huì)自動(dòng)生成setter和getter方法

獲取成員變量

在class_rw_t結(jié)構(gòu)體中有個(gè)ro()可以獲取成員變量

通過(guò)lldb調(diào)試來(lái)查找成員變量

class_ro_t結(jié)構(gòu)體中的屬性如下所示，想要獲取ivars哼转，需要ro的首地址平移48字節(jié)

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;     //4
    uint32_t instanceStart;//4
    uint32_t instanceSize;//4
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;  //4
#endif

    const uint8_t * ivarLayout; //8
    
    const char * name; //1 ? 8
    method_list_t * baseMethodList; // 8
    protocol_list_t * baseProtocols; // 8
    const ivar_list_t * ivars;

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;
    
    //方法省略
}

【總結(jié)】

通過(guò)@property定義的屬性明未，也會(huì)存儲(chǔ)在bits屬性中，通過(guò)bits --> data() -->properties() --> list獲取屬性列表壹蔓，其中只包含屬性
通過(guò){}定義的成員變量趟妥，會(huì)存儲(chǔ)在類的bits屬性中，通過(guò)bits --> data() -->ro() --> ivars獲取成員變量列表庶溶，除了包括成員變量煮纵，還包括屬性定義的成員變量

方法列表 methods()

通過(guò)lldb調(diào)試來(lái)查找方法列表

獲取方法列表

通過(guò)打印的count = 4可知懂鸵，存儲(chǔ)了4個(gè)方法,可以通過(guò)p $7.get(i)內(nèi)存偏移的方式獲取單個(gè)方法,i 的范圍是0-3

我們定義的類方法+ (void)test2好像遍歷并沒(méi)有找到偏螺，它存儲(chǔ)在哪呢？

類方法的存儲(chǔ)

在methods list中并沒(méi)有找到類方法匆光，那類方法存儲(chǔ)在哪里套像？下面我們來(lái)分析下:

前面有分析元類，元類是用來(lái)存儲(chǔ)類的相關(guān)信息的终息，我們大膽猜測(cè)一下：類方法存儲(chǔ)在元類的bits中呢夺巩？通過(guò)lldb命令來(lái)驗(yàn)證我們的猜測(cè)：

獲取類方法

根據(jù)打印我們可以知道猜測(cè)是正確的，類方法存儲(chǔ)在元類中周崭。