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Class的本質(zhì)
我們知道不管是類對(duì)象還是元類對(duì)象盟劫，類型都是Class，class和mete-class的底層都是objc_class結(jié)構(gòu)體的指針塘装，內(nèi)存中就是結(jié)構(gòu)體，本章來(lái)探尋Class的本質(zhì)蹦肴。
Class objectClass = [NSObject class];
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
點(diǎn)擊Class來(lái)到內(nèi)部猴娩，我們可以發(fā)現(xiàn)
typedef struct objc_class *Class;
Class對(duì)象其實(shí)是一個(gè)指向objc_class結(jié)構(gòu)體的指針。因此我們可以說(shuō)類對(duì)象或元類對(duì)象在內(nèi)存中其實(shí)就是objc_class結(jié)構(gòu)體裂七。
我們來(lái)到objc_class內(nèi)部，可以看到這段在底層原理中經(jīng)常出現(xiàn)的代碼仓坞。
struct objc_class {
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
Class _Nullable super_class OBJC2_UNAVAILABLE;
const char * _Nonnull name OBJC2_UNAVAILABLE;
long version OBJC2_UNAVAILABLE;
long info OBJC2_UNAVAILABLE;
long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_ivar_list * _Nullable ivars OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_cache * _Nonnull cache OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_protocol_list * _Nullable protocols OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
這部分代碼相信在文章中很常見(jiàn)，但是OBJC2_UNAVAILABLE;說(shuō)明這些代碼已經(jīng)不在使用了徙瓶。那么目前objc_class的結(jié)構(gòu)是什么樣的呢嫉称？我們通過(guò)objc源碼中去查找objc_class結(jié)構(gòu)體的內(nèi)容。
我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)結(jié)構(gòu)體繼承 objc_object 并且結(jié)構(gòu)體內(nèi)有一些函數(shù)壳繁，因?yàn)檫@是c++結(jié)構(gòu)體，在c上做了擴(kuò)展闹炉，因此結(jié)構(gòu)體中可以包含函數(shù)润樱。我們來(lái)到objc_object內(nèi)，截取部分代碼
我們發(fā)現(xiàn)objc_object中有一個(gè)isa指針嗅钻，那么objc_class繼承objc_object，也就同樣擁有一個(gè)isa指針
那么我們之前了解到的养篓，類中存儲(chǔ)的類的成員變量信息，實(shí)例方法舶胀，屬性名等這些信息在哪里呢语御。我們來(lái)到class_rw_t中席怪，截取部分代碼，我們發(fā)現(xiàn)class_rw_t中存儲(chǔ)著方法列表挂捻，屬性列表，協(xié)議列表等內(nèi)容骨田。
而class_rw_t是通過(guò)bits調(diào)用data方法得來(lái)的声怔，我們來(lái)到data方法內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。我們可以看到醋火，data函數(shù)內(nèi)部?jī)H僅對(duì)bits進(jìn)行&FAST_DATA_MASK操作
而成員變量信息則是存儲(chǔ)在class_ro_t內(nèi)部中的，我們來(lái)到class_ro_t內(nèi)查看芥驳。
通過(guò)一張類圖進(jìn)行總結(jié)如下：
Class的本質(zhì)代碼驗(yàn)證
1. 自定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體
我們可以自定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體，如果我們自己寫(xiě)的結(jié)構(gòu)和objc_class真實(shí)結(jié)構(gòu)是一樣的假抄，那么當(dāng)我們強(qiáng)制轉(zhuǎn)化的時(shí)候丽猬，就會(huì)一一對(duì)應(yīng)的賦值。此時(shí)我們就可以拿到結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的信息脚祟。
- 我們仿照objc_class結(jié)構(gòu)體，提取其中需要使用到的信息蛉签，自定義的一個(gè)結(jié)構(gòu)體。
#import <Foundation/Foundation.h>
#ifndef XXClassInfo_h
#define XXClassInfo_h
# if __arm64__
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
# define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
# endif
#if __LP64__
typedef uint32_t mask_t;
#else
typedef uint16_t mask_t;
#endif
typedef uintptr_t cache_key_t;
struct bucket_t {
cache_key_t _key;
IMP _imp;
};
struct cache_t {
bucket_t *_buckets;
mask_t _mask;
mask_t _occupied;
};
struct entsize_list_tt {
uint32_t entsizeAndFlags;
uint32_t count;
};
struct method_t {
SEL name;
const char *types;
IMP imp;
};
struct method_list_t : entsize_list_tt {
method_t first;
};
struct ivar_t {
int32_t *offset;
const char *name;
const char *type;
uint32_t alignment_raw;
uint32_t size;
};
struct ivar_list_t : entsize_list_tt {
ivar_t first;
};
struct property_t {
const char *name;
const char *attributes;
};
struct property_list_t : entsize_list_tt {
property_t first;
};
struct chained_property_list {
chained_property_list *next;
uint32_t count;
property_t list[0];
};
typedef uintptr_t protocol_ref_t;
struct protocol_list_t {
uintptr_t count;
protocol_ref_t list[0];
};
struct class_ro_t {
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize; // instance對(duì)象占用的內(nèi)存空間
#ifdef __LP64__
uint32_t reserved;
#endif
const uint8_t * ivarLayout;
const char * name; // 類名
method_list_t * baseMethodList;
protocol_list_t * baseProtocols;
const ivar_list_t * ivars; // 成員變量列表
const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
};
struct class_rw_t {
uint32_t flags;
uint32_t version;
const class_ro_t *ro;
method_list_t * methods; // 方法列表
property_list_t *properties; // 屬性列表
const protocol_list_t * protocols; // 協(xié)議列表
Class firstSubclass;
Class nextSiblingClass;
char *demangledName;
};
#define FAST_DATA_MASK 0x00007ffffffffff8UL
struct class_data_bits_t {
uintptr_t bits;
public:
class_rw_t* data() { // 提供data()方法進(jìn)行 & FAST_DATA_MASK 操作
return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}
};
/* OC對(duì)象 */
struct xx_objc_object {
void *isa;
};
/* 類對(duì)象 */
struct xx_objc_class : xx_objc_object {
Class superclass;
cache_t cache;
class_data_bits_t bits;
public:
class_rw_t* data() {
return bits.data();
}
xx_objc_class* metaClass() { // 提供metaClass函數(shù)柠座，獲取元類對(duì)象
// 上一篇我們講解過(guò)片橡，isa指針需要經(jīng)過(guò)一次 & ISA_MASK操作之后才得到真正的地址
return (xx_objc_class *)((long long)isa & ISA_MASK);
}
};
#endif /* XXClassInfo_h */
- 接下來(lái)我們將自己定義的類強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為我們自定義的精簡(jiǎn)的class結(jié)構(gòu)體類型。
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
#import "XXClassInfo.h"
/* Person */
@interface Person : NSObject <NSCopying>
{
@public
int _age;
}
@property (nonatomic, assign) int height;
- (void)personMethod;
+ (void)personClassMethod;
@end
@implementation Person
- (void)personMethod {}
+ (void)personClassMethod {}
@end
/* Student */
@interface Student : Person <NSCoding>
{
@public
int _no;
}
@property (nonatomic, assign) int score;
- (void)studentMethod;
+ (void)studentClassMethod;
@end
@implementation Student
- (void)studentMethod {}
+ (void)studentClassMethod {}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
Person *person = [[Person alloc] init];
Student *student = [[Student alloc] init];
xx_objc_class *objectClass = (__bridge xx_objc_class *)[object class];
xx_objc_class *personClass = (__bridge xx_objc_class *)[person class];
xx_objc_class *studentClass = (__bridge xx_objc_class *)[student class];
xx_objc_class *objectMetaClass = objectClass->metaClass();
xx_objc_class *personMetaClass = personClass->metaClass();
xx_objc_class *studentMetaClass = studentClass->metaClass();
class_rw_t *objectClassData = objectClass->data();
class_rw_t *personClassData = personClass->data();
class_rw_t *studentClassData = studentClass->data();
class_rw_t *objectMetaClassData = objectMetaClass->data();
class_rw_t *personMetaClassData = personMetaClass->data();
class_rw_t *studentMetaClassData = studentMetaClass->data();
// 0x00007ffffffffff8
NSLog(@"%p %p %p %p %p %p", objectClassData, personClassData, studentClassData,
objectMetaClassData, personMetaClassData, studentMetaClassData);
return 0;
}
- 通過(guò)斷點(diǎn)調(diào)試，我們可以看到class的內(nèi)部信息经瓷。至此，我們?cè)俅文贸瞿菑埥?jīng)典的圖揭朝，挨個(gè)分析圖中isa指針和superclass指針的指向。
- 分析instance對(duì)象
首先我們來(lái)看instance對(duì)象潭袱，instance對(duì)象中存儲(chǔ)著isa指針和其他成員變量锋恬，并且instance對(duì)象的isa指針是指向其類對(duì)象地址的。我們首先分析上述代碼中我們創(chuàng)建的object趟径，person，student三個(gè)instance對(duì)象與其相對(duì)應(yīng)的類對(duì)象objectClass蜗巧，personClass蕾盯，studentClass。
從上圖中我們可以發(fā)現(xiàn)instance對(duì)象中確實(shí)存儲(chǔ)了isa指針和其成員變量级遭，同時(shí)將instance對(duì)象的isa指針經(jīng)過(guò)&運(yùn)算之后計(jì)算出的地址確實(shí)是其相應(yīng)類對(duì)象的內(nèi)存地址。由此我們證明isa说敏，superclass指向圖中的1丢郊，2医咨，3號(hào)線架诞。
- 分析class對(duì)象
接著我們來(lái)看class對(duì)象拟淮，我們明確class對(duì)象中存儲(chǔ)著isa指針谴忧，superclass指針，以及類的屬性信息委造，類的成員變量信息均驶，類的對(duì)象方法昏兆，和類的協(xié)議信息辣恋，而通過(guò)上面對(duì)object源碼的分析模软，我們知道這些信息存儲(chǔ)在class對(duì)象的class_rw_t中，我們通過(guò)強(qiáng)制轉(zhuǎn)化來(lái)窺探其中的內(nèi)容携狭。如下圖
上圖中我們通過(guò)模擬對(duì)person類對(duì)象調(diào)用.data函數(shù)回俐，即對(duì)bits進(jìn)行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)運(yùn)算，并轉(zhuǎn)化為class_rw_t仅颇。即上圖中的personClassData。其中我們發(fā)現(xiàn)成員變量信息搁廓，對(duì)象方法，屬性等信息只顯示first第一個(gè)境蜕，如果想要拿到更多的需要通過(guò)代碼將指針后移獲取凌停。而上圖中的instaceSize = 16也同person對(duì)象中isa指針8個(gè)字節(jié)+_age4個(gè)字節(jié)+_height4個(gè)字節(jié)相對(duì)應(yīng)起來(lái)。這里不在展開(kāi)對(duì)objectClassData及studentClassData進(jìn)行分析罚拟，基本內(nèi)容同personClassData相同完箩。
那么類對(duì)象中的isa指針和superclass指針的指向是否如那張經(jīng)典的圖示呢拉庶？我們來(lái)驗(yàn)證一下。
通過(guò)上圖中的內(nèi)存地址的分析吉捶，由此我們證明isa皆尔，superclass指向圖中呐舔，isa指針的4慷蠕，5，6號(hào)線澎现，以及superclass指針的10每辟，11剑辫，12號(hào)線渠欺。
- 分析meta-class對(duì)象
最后我們來(lái)看meta-class元類對(duì)象，meta-class中存儲(chǔ)著isa指針胳岂，superclass指針舔稀，以及類的類方法信息乳丰。同時(shí)我們知道m(xù)eta-class元類對(duì)象與class類對(duì)象内贮，具有相同的結(jié)構(gòu)，只不過(guò)存儲(chǔ)的信息不同淆两，并且元類對(duì)象的isa指針指向基類的元類對(duì)象拂酣，基類的元類對(duì)象的isa指針指向自己。元類對(duì)象的superclass指針指向其父類的元類對(duì)象婶熬，基類的元類對(duì)象的superclass指針指向其類對(duì)象埃撵。
與class對(duì)象相同虽另，我們同樣通過(guò)模擬對(duì)person元類對(duì)象調(diào)用.data函數(shù)，即對(duì)bits進(jìn)行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)運(yùn)算捂刺，并轉(zhuǎn)化為class_rw_t。
首先我們可以看到結(jié)構(gòu)同personClassData相同森缠，并且成員變量及屬性列表等信息為空仪缸，而methods中存儲(chǔ)著類方法personClassMethod。
接著來(lái)驗(yàn)證isa及superclass指針的指向是否同上圖序號(hào)標(biāo)注一樣恰画。
上圖中通過(guò)地址證明meta-class的isa指向基類的meta-class，基類的isa指針也指向自己跨晴。
上圖中通過(guò)地址證明meta-class的superclass指向父類的meta-class自沧，基類的meta-class的superclass指向基類的class類树瞭。
- 斷點(diǎn)
