iOS原理探索04--類結(jié)構(gòu)的分析

類的分析

準備工作霜大，我們先創(chuàng)建兩個類繼承NSObject的LGPerson和繼承LGPerson的LGStudent：

//.h文件
@interface LGPerson : NSObject
{
    NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *lg_name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end

//.m文件
@implementation LGPerson
- (void)sayHello
{
}
+ (void)sayBye
{
}
@end

在main.m文件中如下設(shè)置

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        LGPerson *person = [LGPerson alloc];
        LGStudent *student = [LGStudent alloc];
        NSLog(@"Hello, World! %@ - %@",person,student);
    }
    return 0;
}

類結(jié)構(gòu)的分析
在mian.m文件LGStudent *student = [LGStudent alloc];處打上斷點運行一下項目工程，使用lldb進行調(diào)試

lldb調(diào)試過程及輸出結(jié)果
- 首先我們可以根據(jù)lldb命令得到person的內(nèi)存分布，我們知道0x001d8001000022dd是person的內(nèi)存指針妄迁，接著使用這個指針&0x00007ffffffffff8ULL尿招，可以獲取類的相關(guān)信息$3 = 0x00000001000022d8溜腐。
- 接著po 0x00000001000022d8來打印類的信息,我們發(fā)現(xiàn)結(jié)果為LGPerson钱豁；
- x/4gx 0x00000001000022d8,來打印LGPerson的內(nèi)存情況，我們同樣的可以拿到類的isa指針地址0x00000001000022b0;
- 下一步吉执，p/x 0x00000001000022b0 & 0x00007ffffffffff8ULL,我們來獲取類的信息疯淫，我們得到$5 = 0x00000001000022b0類的指針地址；
- 下一步：通過po 0x00000001000022b0戳玫，發(fā)現(xiàn)結(jié)果還是LGPerson熙掺，這是為什么呢？這里先簡單說一下這個LGPerson是元類咕宿；下面小節(jié)在詳細說明元類的問題币绩。

二蜡秽、元類，主要有以下幾點說明：

我們都知道 對象的isa是指向類缆镣，類其實也是一個對象芽突，可以稱為類對象，其isa的位域指向蘋果定義的元類董瞻。
元類是系統(tǒng)設(shè)置的诉瓦，其定義和創(chuàng)建都是由編譯器完成，在這個過程中力细，類的歸屬來自于`元類。
元類是類對象的類固额，每個類都有一個獨一無二的元類用來存儲類方法的相關(guān)信息眠蚂。
元類本身是沒有名稱的，由于與類相關(guān)聯(lián)斗躏，所以使用了同類名一樣的名稱逝慧。

總結(jié)：由上圖的打印結(jié)果我們可以得出如下結(jié)論：對象 --> 類 --> 元類 --> NSobject, NSObject 指向自身。

三啄糙、isa走位 & 繼承關(guān)系

根據(jù)上面的探索以及各種驗證笛臣，對象、類隧饼、元類沈堡、根元類的關(guān)系如下圖所示

isa走位 & 繼承關(guān)系流程圖

isa的走向有以下幾點說明：

實例對象（Instance of Subclass）的 isa 指向 類（class）
類對象（class） isa指向元類（Meta class）
元類（Meta class）的isa指向根元類（Root metal class）
根元類（Root metal class）的isa 指向它自己本身，形成閉環(huán)燕雁，這里的根元類就是NSObject诞丽。

superclass（即繼承關(guān)系）的走向也有以下幾點說明：

類（subClass） 繼承自 父類（superClass）
父類（superClass） 繼承自 根類（RootClass），此時的根類是指NSObject拐格。
根類繼承自 nil僧免，所以根類即NSObject可以理解為萬物起源，即無中生有捏浊。
子類的元類（metal SubClass） 繼承自 父類的元類（metal SuperClass）懂衩。
父類的元類（metal SuperClass） 繼承自根元類（Root metal Class。
根元類（Root metal Class） 繼承于根類（Root class）金踪，此時的根類是指NSObject浊洞。

舉例說明

2251862-48a5603729fdf0a9.png

isa 走位鏈

student的isa走位鏈：student(子類對象) --> LGStudent （子類）--> LGStudent（子元類） --> NSObject（根元類） --> NSObject（跟根元類，即自己）
-person的isa走位圖：person(父類對象) --> CJLPerson （父類）--> CJLPerson（父元類） --> NSObject（根元類） --> NSObject（跟根元類热康，即自己）

superclass走位鏈

類的繼承關(guān)系鏈：LGStudent（子類） --> CJLPerson(父類) --> NSObject（根類）--> nil
元類的繼承關(guān)系鏈：LGStudent（子元類） --> CJLPerson(父元類) --> NSObject（根元類）--> NSObject（根類）--> nil

四沛申、objc_class & objc_object

在分析objc_class & objc_object我們先引入一個問題，為什么類和對象都有isa屬性呢姐军？
我們先將main.m文件編譯為main.cpp來分析一下這個問題铁材。我們根據(jù)clang編譯的c++源碼可以看出NSObject的底層編譯是NSObject_IMPL結(jié)構(gòu)體尖淘，并且對象含有Class isa，代碼如下

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

typedef struct objc_class *Class;


struct objc_object {
    Class _Nonnull isa __attribute__((deprecated));
};

下面我們通過在objc4源碼中搜索來探索objc_class & objc_object

objc_class在源碼中搜索到兩種相關(guān)源碼
第一種已經(jīng)不再使用了著觉，并且和我們使用Clang編譯后的一樣

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

} OBJC2_UNAVAILABLE;

另外一種村生，我們選擇主要的代碼進行展示如下

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();
    }
};

我們發(fā)現(xiàn)objc_class繼承自objc_object，下面我們再看看objc_object源碼饼丘，

objc_object源碼

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
};

總結(jié)：

我們根據(jù)源碼發(fā)現(xiàn)objc_object結(jié)構(gòu)體定義了isa作為它的一個屬性趁桃，objc_class繼承自objc_object，所以objc_class也擁有了isa屬性肄鸽。
mian.cpp底層編譯文件中卫病，NSObject中的isa在底層是由Class 定義的，其中class的底層編碼來自 objc_class類型典徘，所以NSObject也擁有了isa屬性蟀苛。
NSObject是一個類，用它初始化一個實例對象objc逮诲，objc 滿足 objc_object 的特性帜平，所以對象都有一個 isa，isa表示指向梅鹦，來自于當(dāng)前的objc_object裆甩。
所以所有的對象都是以 objc_object為模板繼承過來的。
因為對象是來自NSObject（OC） 齐唆，但是真正到底層的是一個objc_object（C/C++）的結(jié)構(gòu)體類型,所以 objc_object 與 對象的關(guān)系 是繼承關(guān)系嗤栓。

objc_class、objc_object箍邮、isa抛腕、object、NSObject等的整體的關(guān)系媒殉，如下圖所示

2251862-7b4c0996f92eb166.png

類的方法

我們根據(jù)下面類的底層實現(xiàn)源碼來探索一下担敌，類的實例方法存儲在哪里，來具體探索一下類的結(jié)構(gòu)是怎樣的廷蓉？

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    

 // ......部分代碼不在展示

}

在探索之前我們需要補充一下知識全封，關(guān)于內(nèi)存偏移，我們先使用實例說明一下這個內(nèi)存偏移桃犬；
【普通指針】

        //普通指針
        int a = 10; //變量
        int b = 10;
        NSLog(@"%d -- %p", a, &a);
        NSLog(@"%d -- %p", b, &b);

輸出的結(jié)果

截屏2020-09-21 09.37.28.png

我們可以從控制臺看出刹悴，a和b兩個指針指向了同一片的存儲著10的空間。

a攒暇、b都指向10土匀，但是a、b的地址``不一樣形用，這是一種拷貝就轧，屬于值拷貝证杭，也稱為淺拷貝
a,b的地址之間相差4個字節(jié)，這取決于a妒御、b的類型
【對象指針】

        LGPerson *p1 = [LGPerson alloc]; // p1 是指針
        LGPerson *p2 = [LGPerson alloc];
        NSLog(@"%d -- %p", p1, &p1);
        NSLog(@"%d -- %p", p2, &p2);

輸出結(jié)果

截屏2020-09-21 09.42.12.png

p1解愤、p2 是指針，p1是指向 [LGPerson alloc]創(chuàng)建的空間地址乎莉，即內(nèi)存地址送讲，p2 同理
&p1、&p2是指向 p1惋啃、p2對象指針的地址哼鬓，這個指針就是二級指針
【數(shù)組指針】

//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

截屏2020-09-21 09.45.06.png

&c和 &c[0] 都是取這個數(shù)組的首地址，所以``數(shù)組名等同于首地址边灭；
&c 與 &c[1] 相差4個字節(jié)魄宏，地址之間相差的字節(jié)數(shù)，主要取決于存儲的數(shù)據(jù)類型可以通過首地址+偏移量取出數(shù)組中的其他元素存筏，其中偏移量是數(shù)組的下標，內(nèi)存中首地址實際移動的字節(jié)數(shù) 等于偏移量 * 數(shù)據(jù)類型字節(jié)數(shù)`味榛；

計算類結(jié)構(gòu)的內(nèi)存大小

通過上面類結(jié)構(gòu)的源碼我們來計算一下類的大小
-isa屬性：繼承自objc_object的isa椭坚，占 8字節(jié)；

superclass屬性：Class類型搏色，Class是由objc_object定義的善茎，是一個指針，占8字節(jié)
cache屬性：是cache_t結(jié)構(gòu)體類型频轿，我們應(yīng)該按照計算結(jié)構(gòu)體內(nèi)存大小的規(guī)則來計算垂涯，而結(jié)構(gòu)體指針才是8字節(jié)；下面代碼可以計算出cache占16字節(jié)

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;// 是一個結(jié)構(gòu)體指針類型航邢，占8字節(jié)
    explicit_atomic<mask_t> _mask;//是mask_t 類型耕赘，而 mask_t 是 unsigned int 的別名，占4字節(jié)
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;
//省略部分代碼
#if __LP64__
    uint16_t _flags; //是uint16_t類型膳殷，uint16_t是 unsigned short 的別名操骡，占 2個字節(jié)
#endif
    uint16_t _occupied; //是uint16_t類型，uint16_t是 unsigned short 的別名赚窃，占 2個字節(jié)
//省略部分代碼
}

bits屬性：只有首地址經(jīng)過上面3個屬性的內(nèi)存大小總和的平移册招，才能獲取到bits`；

類結(jié)構(gòu)中方法分析流程

(lldb) p/x LGPerson.class
(Class) $0 = 0x00000001000022f0 LGPerson
(lldb) //平移32個字節(jié)
error: '//平移32個字節(jié)' is not a valid command.
(lldb) p/x 0x00000001000022f0 + 32
(long) $1 = 0x0000000100002310
(lldb) 獲取bit 
error: '獲取bit' is not a valid command.
(lldb) p (class_data_bits_t *)0x0000000100002310
(class_data_bits_t *) $2 = 0x0000000100002310
(lldb) 通過結(jié)構(gòu)體的data()來獲取bits
error: '通過結(jié)構(gòu)體的data()來獲取bits' is not a valid command.
(lldb) p $2 -> data()
(class_rw_t *) $3 = 0x0000000102018a20
(lldb) 獲取methods(）
error: '獲取methods(）' is not a valid command.
(lldb) p $3.methods()
(const method_array_t) $4 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002180
      arrayAndFlag = 4294975872
    }
  }
}
  Fix-it applied, fixed expression was: 
    $3->methods()
(lldb) 獲取list
error: '獲取list' is not a valid command.
(lldb) p $4.list
(method_list_t *const) $5 = 0x0000000100002180
(lldb) 打印list內(nèi)容
error: '打印list內(nèi)容' is not a valid command.
(lldb) p *$5
(method_list_t) $6 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
    entsizeAndFlags = 26
    count = 4
    first = {
      name = "sayHello"
      types = 0x0000000100000f85 "v16@0:8"
      imp = 0x0000000100000d80 (KCObjc`-[LGPerson sayHello])
    }
  }
}
(lldb)

截屏2020-09-18 17.49.44.png

關(guān)于類的屬性

(lldb) p $3.properties()
(const property_array_t) $7 = {
  list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002230
      arrayAndFlag = 4294976048
    }
  }
}
  Fix-it applied, fixed expression was: 
    $3->properties()
(lldb) p $7.list
(property_list_t *const) $8 = 0x0000000100002230
(lldb) p *$8
(property_list_t) $9 = {
  entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> = {
    entsizeAndFlags = 16
    count = 1
    first = (name = "lg_name", attributes = "T@\"NSString\",C,N,V_lg_name")
  }
}

總結(jié)：類的實例方法和類的屬性都存在bits中勒极，我們發(fā)現(xiàn)類的類方法和類的成員變量卻沒有打印是掰，我們可以思考一下，它們存在哪里呢辱匿？類的類方法會不會存在元類里面呢键痛？下一節(jié)我們接著探索一下這個內(nèi)容炫彩。