iOS底層原理07：類 & 類結(jié)構(gòu)分析中我們對類結(jié)構(gòu)有了大概的認識，本文主要探索objc_class的bits屬性，探索成員變量遮晚、屬性梯影、方法(對象方法曾掂、類方法)歧蕉、協(xié)議等是如何存儲的
【W(wǎng)WDC2020】類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
WWDC2020中關于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的變化（Class data structures changes）視頻地址
Object-C運行時會使用這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來跟蹤類汰蓉，??下面我們先來了解 Clean Memory 和Dirty Memory的區(qū)別委煤，方便我們更好得理解類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
Clean Memory 和 Dirty Memory的區(qū)別
Clean Memory
-
clean memory是指加載后不會發(fā)生更改的內(nèi)存 -
class_ro_t就屬于clean memory堂油，因為它是只讀的 -
clean memory可以進行移除，從而節(jié)省更多的內(nèi)存空間素标，因為如果你需要clean memory称诗，系統(tǒng)可以從磁盤中重新加載
Dirty Memory
-
dirty memory是指在進程運行時會發(fā)生更改的內(nèi)存 - 類結(jié)構(gòu)一經(jīng)使用就會變成
dirty memory，因為運行時會向它寫入新的數(shù)據(jù)头遭。（例如：創(chuàng)建一個新的方法緩存寓免，并從類中指向它） -
dirty memory比clean memory要昂貴得多，只要進程在運行计维，它就必須一直存在 -
macOS可以選擇換出dirty memory袜香，但因為iOS不使用swap，所以dirty memory在iOS中代價很大
因此鲫惶，蘋果為了性能優(yōu)化蜈首，類數(shù)據(jù)被分成兩部分，可以保持清潔的數(shù)據(jù)越多越好，通過分離出那些永遠不會更改的數(shù)據(jù)（即class_ro_t）欢策，可以把大部分的類數(shù)據(jù)存儲為clean memory
類結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
雖然class_ro_t這些數(shù)據(jù)足夠我們使用類吆寨，但因為OC的動態(tài)特性，運行時需要跟蹤每個類的更多信息踩寇，所以當一個類首次被使用啄清，runtime會為它分配額外的存儲空間。
- 這個運行時分配的存儲容量是
class_rw_t俺孙，用于讀取-編寫數(shù)據(jù)辣卒，在這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，我們存儲了只有在運行時才會生成的新消息
優(yōu)化之前睛榄，類結(jié)構(gòu)如下??
所有的類都會鏈接成一個樹狀結(jié)構(gòu)荣茫，通過使用First Subclass和Next Sibling Class指針實現(xiàn)的，這允許運行時遍歷當前使用的所有類场靴。
【問題】 為什么class_rw_t和class_ro_t中都存在方法啡莉、屬性呢？
-
class_rw_t可以在運行時進行更改 - 當
category被加載時憎乙，它可以向類中添加新的方法 - 我們還可以使用
運行時 API動態(tài)添加方法票罐，如method_setImplementation -
class_ro_t是只讀的，所以我們需要在class_rw_t中來跟蹤這些東西
在任何給定的設備中，都有許多類在使用腕扶，蘋果開發(fā)人員在iPhone上的整個系統(tǒng)中測量了斤蔓，class_rw_t結(jié)構(gòu)占用了相當多的內(nèi)存，【切記】我們在讀取-編寫部分需要這些東西鸟蟹，因為他們可以在運行時更改。
【問題】如果縮小class_rw_t的結(jié)構(gòu)呢？
- 蘋果開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)梢什，大約只有10%的類真正地更改了他們的方法
- 而且只有
Swift類會使用這個demangled name字段（只有訪問它們Objective-C名稱時才需要）
所以我們可以拆掉那些平時不用的部分，以達到內(nèi)存優(yōu)化朝聋，如下圖所示：
- 這樣
class_rw_t的大小會減少一半 - 對于那些確實
需要額外信息的類嗡午，才會有分配這些擴展記錄，即多了一層class_rw_ext_t數(shù)據(jù)冀痕，而剩下90%的類荔睹，從來不需要這些擴展數(shù)據(jù)，也就沒有class_rw_ext_t這層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
我們可以通過heap來檢查正在運行的進程所使用的堆內(nèi)存
//查看微信進程言蛇，在活動監(jiān)視器中查看僻他，微信進程=591
heap 591 | egrep "class_rw|COUNT|class_ro"
總結(jié)
class_rw_t優(yōu)化，其實就是對class_rw_t不常用的部分進行了剝離腊尚。如果需要用到這部分就從擴展記錄中分配一個吨拗，滑到類中供其使用。現(xiàn)在大家對類應該有個更清楚的認識。
lldb調(diào)試分析
準備工作
定義兩個類
- 繼承自
NSObject的類HTPerson
@interface HTPerson : NSObject
{
NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end
@implementation HTPerson
- (void)sayHello {
NSLog(@"%@",__func__);
}
+ (void)sayBye {
NSLog(@"%@",__func__);
}
@end
- 繼承自
HTPerson的類HTTeacher
@interface HTTeacher : HTPerson
@end
@implementation HTTeacher
@end
-
main.m中代碼如下
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
HTPerson *p1 = [HTPerson alloc];
HTPerson *p2 = [[HTPerson alloc] init];
HTTeacher *t = [[HTTeacher alloc] init];
NSLog(@"end--%@--%@", @"123", p1);
}
return 0;
}
lldb調(diào)試class_rw_t結(jié)構(gòu)
斷點調(diào)試步驟如下
獲取類的首地址：
p/x HTPerson.class獲取
bits的地址：類首地址 + 0x20劝篷，p/x (0x00000001000082f8 + 0x20)通過
bits->data()獲取class_rw_t結(jié)構(gòu)體地址打印
class_rw_t結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)【1】執(zhí)行完
HTPerson *p1 = [HTPerson alloc];哨鸭，查看class_rw_t數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)witness的值為0娇妓，firstSubclass的值為nil
- 【2】執(zhí)行完
HTPerson *p2 = [[HTPerson alloc] init];兔跌，查看class_rw_t數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)witness的值變?yōu)?code>1
- 【3】執(zhí)行完
HTTeacher *t = [[HTTeacher alloc] init];峡蟋，即使用子類坟桅，發(fā)現(xiàn)firstSubclass的值變成了HTTeacher
屬性探究
-
class_rw_t結(jié)構(gòu)體提供了properties()函數(shù)來獲取類的屬性，得到property_array_t數(shù)據(jù)
- 查看
property_array_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)蕊蝗，發(fā)現(xiàn)它繼承自list_array_tt仅乓，并且有property_t和property_list_t兩層數(shù)據(jù)
- 繼續(xù)查看
list_array_tt數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有個聯(lián)合體數(shù)據(jù)蓬戚，其中list即屬性列表property_list_t的指針地址
- 查看
property_list_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)夸楣，繼承自entsize_list_tt，提供了泛型模版數(shù)據(jù)
struct property_list_t : entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> {
};
- 繼續(xù)查看
entsize_list_tt數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)子漩，終于找到了get()方法（獲取對應index位置的屬性）
??通過lldb斷點來查看HTPerson的屬性
通過class_rw_t -> properties()獲取的屬性列表豫喧，只存儲了兩個屬性：name和age
【問題】我們聲明的變量-hobby保存在哪里呢？
成員變量探究
類屬性列表中沒有存儲變量幢泼，觀察發(fā)現(xiàn)class_rw_t還有一個獲取class_ro_t *的方法const class_ro_t *ro() const {}紧显，成員變量會不會在class_ro_t中，源碼查看class_ro_t結(jié)構(gòu)體定義
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
uint32_t reserved;
#endif
union {
const uint8_t * ivarLayout;
Class nonMetaclass;
};
explicit_atomic<const char *> name;
// With ptrauth, this is signed if it points to a small list, but
// may be unsigned if it points to a big list.
void *baseMethodList;
protocol_list_t * baseProtocols;
const ivar_list_t * ivars;
const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
// This field exists only when RO_HAS_SWIFT_INITIALIZER is set.
_objc_swiftMetadataInitializer __ptrauth_objc_method_list_imp _swiftMetadataInitializer_NEVER_USE[0];
// ...省略
class_ro_t是結(jié)構(gòu)體類型缕棵，有一個const ivar_list_t * ivars;變量孵班。從名字我們可以猜到里面應該存儲變量。??通過lldb驗證如下圖：
總結(jié)
-
變量的底層實現(xiàn)是ivar_t招驴，存儲在class_ro_t中的變量列表ivars里 - 系統(tǒng)會給
屬性自動生成一個帶_屬性名變量篙程，存儲在class_ro_t的變量列表中
方法探究
實例方法探究
lldb調(diào)試如下??
- 類的
對象方法列表通過bits->data()->methods()獲取 - 類的
對象方法列表在底層結(jié)構(gòu)是method_list_t -
p $7.get(index)在方法列表中獲取不到具體的值，因為method_t中進行了處理别厘，需要通過big()獲取方法 - 類的方法列表中沒有
類方法
從上圖打印結(jié)構(gòu)可以看出虱饿，類會為屬性提供默認的set、get方法触趴，
但是我們沒有發(fā)現(xiàn)HTPerson的類方法+ (void)sayBye;
類方法探究
對象的方法是存儲在類中氮发，那么類方法可能存儲在元類中。按照這個思路探究下
從打印結(jié)果可以得知：類方法存儲在元類的方法列表中
協(xié)議探索
- 新增一個協(xié)議
HTPersonProtocol雕蔽，讓HTPerson遵守協(xié)議
@protocol HTPersonProtocol <NSObject>
- (void)protocolMethod1;
- (void)protocolMethod2;
@end
@interface HTPerson : NSObject<HTPersonProtocol>
{
NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property(nonatomic, assign) NSInteger age;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end
