第四節(jié)課 類的原理分析（上）

isa分析到元類

p/x p  //拿到當(dāng)前指針地址

04-拿地址.png

接下來我們
x/4gx 0x000000010292f480

04-isa.png

p/x 0x001d800100008365 & 0x00007ffffffffff8 po 0x0000000100008360 //就是我們當(dāng)前的類

04-當(dāng)前的類.png

其實(shí)最后還是這么個(gè)地址缸榛，有那么一丟丟好奇朱沃，再次x/4g會得到什么，干就完了~

04-x:4g類.png

04-po.png

    Class class1 = [LGPerson class];
    Class class2 = [LGPerson alloc].class;
    Class class3 = object_getClass([LGPerson alloc]);
    Class class4 = [LGPerson alloc].class;
    NSLog(@"\n%p \n%p \n%p \n%p",class1,class2,class3,class4);
    
    <----輸出結(jié)果---->
0x100008360 
0x100008360 
0x100008360 
0x100008360

我們可以看到最終輸出的類都是0x100008360，那就證明之前的0x0000000100008338它不是類油讯，那么它是個(gè)什么详民？接下來我們就需要使用爛蘋果來分析了

04-爛蘋果.png

當(dāng)我們看到符號表的時(shí)候看到了一個(gè)奇奇怪怪的東西

04-METACLASS.png

這個(gè)METACLASS實(shí)際上并不是我們通過代碼創(chuàng)建的撞羽，這個(gè)是系統(tǒng)或者編譯器幫我們生成好的阐斜，這個(gè)東西就叫做元類。
我們得到了一個(gè)大概的流程：對象isa -> 類isa -> 元類

isa走位圖和繼承鏈

isa走位圖

上面我們通過isa分析出了一個(gè)元類诀紊，那我們就想，元類之后會不會還有東西隅俘？
繼續(xù)用上面元類的isa

04-根元類.png

04-NSObject.png

04-isa流程圖.png

    NSObject *object1 = [NSObject alloc];
    // NSObject類
    Class class = object_getClass(object1);
    // NSObject元類
    Class metaClass = object_getClass(class);
    // NSObject根元類
    Class rootMetaClass = object_getClass(metaClass);
    // NSObject根根元類
    Class rootRootMetaClass = object_getClass(rootMetaClass);
    NSLog(@"\n%p 實(shí)例對象\n%p 類\n%p 元類\n%p 根元類\n%p 根根元類",object1,class,metaClass,rootMetaClass,rootRootMetaClass);
    
    // LGPerson元類
    Class pMetaClass = object_getClass(LGPerson.class);
    Class psuperClass = class_getSuperclass(pMetaClass);
    NSLog(@"%@ - %p",psuperClass,psuperClass);
    
    
<----輸出結(jié)果---->
0x100547790 實(shí)例對象
0x7fff9103a118 類
0x7fff9103a0f0 元類
0x7fff9103a0f0 根元類
0x7fff9103a0f0 根根元類

NSObject - 0x7fff9103a0f0

繼承鏈

根據(jù)上面的打印結(jié)果碑隆，我們發(fā)現(xiàn)任何對象，元類的父類都是根元類蹬音，有點(diǎn)燒腦了吧上煤？
接下來我們寫了一個(gè)LGTeacher繼承自LGPerson，再次通過上面代碼進(jìn)行打印

    // LGTeacher -> LGPerson -> NSObject
    // 元類也有一條繼承鏈
    Class tMetaClass = object_getClass(LGTeacher.class);
    Class tsuperClass = class_getSuperclass(tMetaClass);
    NSLog(@"%@ - %p",tsuperClass,tsuperClass);
    <----輸出結(jié)果---->
    LGPerson - 0x100008338

元類的繼承鏈如下圖實(shí)線部分
[圖片上傳失敗...(image-743b09-1624451069459)]

我們繼續(xù)分析NSObject特殊情況

    // NSObject 根類特殊情況
    Class nsuperClass = class_getSuperclass(NSObject.class);
    NSLog(@"%@ - %p",nsuperClass,nsuperClass);
    // 根元類 -> NSObject
    Class rnsuperClass = class_getSuperclass(metaClass);
    NSLog(@"%@ - %p",rnsuperClass,rnsuperClass);
    <----輸出結(jié)果---->
(null) - 0x0
 NSObject - 0x7fff9103a118

根據(jù)上述結(jié)果著淆，我們推出了圖中RootClass(class) -> nil的這一步
以及RootClass(meta) -> RootClass(class)這一步

小結(jié)：

1. NSOject對象的元類與根元類是同一個(gè)
2. 元類間也存在著繼承的關(guān)系劫狠，跟類是一樣的
3. 根元類的父類指向了NSObject
4. NSObject的父類是（null），地址為0x0永部，即NSObject沒有父類

指針和內(nèi)存平移

如果要想獲取對象內(nèi)存中的變量独泞，底層實(shí)現(xiàn)方式是對象的首地址+偏移值。下面探究下內(nèi)存偏移
我們平時(shí)遇到的指針分為三種：普通指針苔埋、對象指針懦砂、數(shù)組指針

普通指針

int a = 10; 
int b = 10; 
NSLog(@"%d -- %p",a,&a);
NSLog(@"%d -- %p",b,&b);
<----輸出結(jié)果---->
10 -- 0x7ffeefbff41c
10 -- 0x7ffeefbff418

• 我們發(fā)現(xiàn)，值是一樣的，但是指針地址卻是不同的孕惜，這就是我們所說的copy：值拷貝
• a的地址是0x7ffeefbff41c愧薛，b的地址是0x7ffeefbff418，相差4字節(jié)衫画，主要取決于a的類型

對象指針

HZMPerson *p1 = [HZMPerson alloc];
HZMPerson *p2 = [HZMPerson alloc];
NSLog(@"%@ -- %p",p1,&p1);
NSLog(@"%@ -- %p",p2,&p2);
<----輸出結(jié)果---->
<HZMPerson: 0x1007049f0> -- 0x7ffeefbff410
<HZMPerson: 0x100704650> -- 0x7ffeefbff408

我們發(fā)現(xiàn)毫炉，對象的地址不同，地址指向的空間也不同

數(shù)組指針

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);
<----輸出結(jié)果---->
0x7ffeefbff430 - 0x7ffeefbff430 - 0x7ffeefbff434
0x7ffeefbff430 - 0x7ffeefbff434 - 0x7ffeefbff438

• 數(shù)組的地址就是數(shù)組元素中的首地址削罩，即&c和&c[0]都是首地址
• 數(shù)組中每個(gè)元素之間的地址間隔瞄勾，由當(dāng)前元素的數(shù)據(jù)類型決定的
• 數(shù)組的元素地址可以通過首地址+n*類型大小方式，這種方式是數(shù)組中的元素類型必須相同弥激。
• 數(shù)組元素不相同用首地址+偏移量方式进陡，根據(jù)當(dāng)前變量的偏移值（需要前面類型大小相加)

小結(jié)：

• 內(nèi)存地址就是內(nèi)存元素的首地址
• 內(nèi)存偏移可以根據(jù)首地址+ 偏移值方法獲取相對應(yīng)變量的地址

源碼分析類的結(jié)構(gòu)

在之前的探索時(shí)我們發(fā)現(xiàn)isa是Class類型的。Class類型是objc_class * 微服，objc_class是一個(gè)結(jié)構(gòu)體趾疚。 所有的Class底層實(shí)現(xiàn)都是objc_class。又來到了我們的源碼分析部分以蕴，在 objc4-818.2 中全局搜索objc_class 代碼如下

struct objc_class : objc_object {
  objc_class(const objc_class&) = delete;
  objc_class(objc_class&&) = delete;
  void operator=(const objc_class&) = delete;
  void operator=(objc_class&&) = delete;
    // 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 getSuperclass() const {
#if __has_feature(ptrauth_calls)
#   if ISA_SIGNING_AUTH_MODE == ISA_SIGNING_AUTH
        if (superclass == Nil)
            return Nil;
            
//省略部分源碼
}

objc_class這個(gè)結(jié)構(gòu)體內(nèi)部存儲了幾個(gè)成員變量糙麦，怎么去探究它們呢？類的地址是知道的丛肮，那么就根據(jù)上面探究過的首地址+偏移值來獲取里面的成員變量的地址赡磅，然后獲取值。但是偏移值需要知道當(dāng)前變量之前的所有成員變量的大小

• Class ISA：//結(jié)構(gòu)體指針占8字節(jié) 繼承自objc_object
• Class superclass:結(jié)構(gòu)體指針占8字節(jié)
• cache_t cache：宝与？焚廊？母雞
• class_data_bits_t bits;

計(jì)算 cache 類的內(nèi)存大小

接下來我們就先看cache的內(nèi)存大小，查看cache_t

struct cache_t {
private:
    explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask; // 8
    union {
        struct {
            explicit_atomic<mask_t>    _maybeMask;   // 4
#if __LP64__
            uint16_t                   _flags;       // 2
#endif
            uint16_t                   _occupied;    // 2
        };
        explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache; //8
    };
    
    //下面是一些方法省略
};

cache_t 是結(jié)構(gòu)體類型习劫，有兩個(gè)成員變量_bucketsAndMaybeMask和一個(gè)聯(lián)合體

_bucketsAndMaybeMask是 uintptr_t無符長整型占8字節(jié)

聯(lián)合體里面有兩個(gè)成員變量結(jié)構(gòu)體和 _originalPreoptCache咆瘟，聯(lián)合體的內(nèi)存大小由成員變量中的最大變量類型決定
_originalPreoptCache 是結(jié)構(gòu)體指針占8字節(jié)
結(jié)構(gòu)體中有_maybeMask、_flags榜聂、_occupied搞疗。 _maybeMask是uint32_t占 4字節(jié)，_flags和_occupied是uint16_t 各占2字節(jié)须肆，結(jié)構(gòu)體大小是8字節(jié)

cache_t的內(nèi)存大小是 8+8 或者是8+4+2+2都是16字節(jié)匿乃，所以cache就是16字節(jié)

*isa的內(nèi)存地址是首地址，前面已經(jīng)探究了

• superclass的內(nèi)存地址是首地址+0x8
• cache的內(nèi)存地址是首地址+0x10
• bits的內(nèi)存地址是首地址+0x20

具體cache里面的內(nèi)容我們后續(xù)再進(jìn)行講解豌汇，我們先看看bits這個(gè)東西

獲取bits

所以有上述計(jì)算可知幢炸，想要獲取bits的中的內(nèi)容，只需通過類的首地址平移32字節(jié)即可

以下是通過lldb命令調(diào)試的過程

04-bits.png

ps:獲取類的首地址有兩種方式

1. 通過p/x LGPerson.class直接獲取首地址
2. 通過x/4gx LGPerson.class拒贱，打印內(nèi)存信息獲取

從$2指針的打印結(jié)果中可以看出bits中存儲的信息宛徊，其類型是class_rw_t佛嬉，也是一個(gè)結(jié)構(gòu)體類型。但我們還是沒有看到屬性列表闸天、方法列表等暖呕，需要繼續(xù)往下探索

探索 屬性列表，即 property_list

通過查看class_rw_t定義的源碼發(fā)現(xiàn)苞氮，結(jié)構(gòu)體中有提供相應(yīng)的方法去獲取 屬性列表湾揽、方法列表等，如下所示

04-class_rw_t.png

在獲取bits并打印bits信息的基礎(chǔ)上笼吟，通過class_rw_t提供的方法库物，繼續(xù)探索 bits中的屬性列表，以下是lldb探索的過程圖示

04-獲取屬性列表2.png

• p $3.properties()命令中的propertoes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贷帮，是一個(gè)指針戚揭，所以通過 p *$6獲取內(nèi)存中的信息，同時(shí)也證明bits中存儲了 property_list撵枢，即屬性列表

• p $7.get(2)民晒，想要獲取LGPerson中的下一個(gè)成員變量，發(fā)現(xiàn)提示數(shù)組越界了锄禽，說明 property_list 中只有兩個(gè)屬性

目前我們的LGPerson中只有兩個(gè)屬性镀虐，那么我們添加一些其他的東西后，property_list會有什么變化呢沟绪？

04-新增成員變量.png

我們新增了一個(gè)成員變量，重復(fù)上面步驟結(jié)果發(fā)現(xiàn)空猜，還是只能取出兩個(gè)屬性绽慈，由此可得出property_list 中只有屬性，沒有成員變量與方法辈毯。那成員變量哪去了坝疼？

通過查看objc_class中bits屬性中存儲數(shù)據(jù)的類class_rw_t的定義發(fā)現(xiàn)，除了methods谆沃、properties钝凶、protocols方法，還有一個(gè)ro方法唁影，其返回類型是class_ro_t耕陷，通過查看其定義，發(fā)現(xiàn)其中有一個(gè)ivars屬性据沈，我們大膽猜測：是否成員變量就存儲在這個(gè)ivar_list_t類型的ivars屬性中呢哟沫？下圖是lldb命令的調(diào)試流程

04-成員變量.png

通過{}定義的成員變量，會存儲在類的bits屬性中锌介，通過bits -> data() ->ro() -> ivars獲取成員變量列表嗜诀，除了包括成員變量猾警，還包括屬性定義的成員變量
通過@property定義的屬性，也會存儲在bits屬性中隆敢，通過bits -> data() -> properties() -> list獲取屬性列表发皿，其中只包含屬性

探索methods_list

上面我們新增了成員變量，現(xiàn)在我們添加兩個(gè)方法來看看

04-新增方法.png

繼續(xù)上面的lldb調(diào)試

04-methodslist.png

但是我們發(fā)現(xiàn)直到我們?nèi)〉皆浇绶餍蛴〕鰜淼姆椒ǘ际强盏姆椒ㄑㄊ@是為啥？
這個(gè)其實(shí)是因?yàn)?br> property_t的底層是存在兩個(gè)成員變量的

struct property_t {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

而我們的method_t則沒有

struct method_t {
    static const uint32_t smallMethodListFlag = 0x80000000;

    method_t(const method_t &other) = delete;

    // The representation of a "big" method. This is the traditional
    // representation of three pointers storing the selector, types
    // and implementation.
    struct big {
        SEL name;
        const char *types;
        MethodListIMP imp;
    }; 

但是我們可以看見 有一個(gè)結(jié)構(gòu)體big匣屡，里面則存在著成員變量name,我們?nèi)∫幌略囋?br>

04-big.png

可以取出來了封救，但是發(fā)現(xiàn)并沒有類方法。在之前捣作，我們曾提及了元類誉结，類對象的isa指向就是元類，元類是用來存儲類的相關(guān)信息的券躁，所以我們大膽的猜一下：是否類方法存儲在元類的bits中呢惩坑？可以通過lldb命令來驗(yàn)證我們的猜測。下圖是lldb命令的調(diào)試流程

04-類方法.png

通過打印也拜，我們看到了之前的類方法以舒，證明了我們的猜想成立

類的實(shí)例方法存儲在類的bits屬性中，類方法存儲在元類的bits屬性中慢哈。通過bits/元類bits -> methods() -> list獲取實(shí)例方法列表