iOS底層原理總結(jié) - 探尋Class的本質(zhì)

對小碼哥底層班視頻學(xué)習(xí)的總結(jié)與記錄痰哨。面試題部分，通過對面試題的分析探索問題的本質(zhì)內(nèi)容框往。

Class的本質(zhì)

我們知道不管是類對象還是元類對象，類型都是Class，class和mete-class的底層都是objc_class結(jié)構(gòu)體的指針厅目，內(nèi)存中就是結(jié)構(gòu)體，本章來探尋Class的本質(zhì)法严。

Class objectClass = [NSObject class];        
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);

點擊Class來到內(nèi)部损敷，我們可以發(fā)現(xiàn)

typedef struct objc_class *Class;

Class對象其實是一個指向objc_class結(jié)構(gòu)體的指針。因此我們可以說類對象或元類對象在內(nèi)存中其實就是objc_class結(jié)構(gòu)體深啤。
我們來到objc_class內(nèi)部拗馒，可以看到這段在底層原理中經(jīng)常出現(xiàn)的代碼。

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;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

這部分代碼相信在文章中很常見溯街，但是OBJC2_UNAVAILABLE;說明這些代碼已經(jīng)不在使用了诱桂。那么目前objc_class的結(jié)構(gòu)是什么樣的呢？我們通過objc源碼中去查找objc_class結(jié)構(gòu)體的內(nèi)容呈昔。

image.png

我們發(fā)現(xiàn)這個結(jié)構(gòu)體繼承 objc_object并且結(jié)構(gòu)體內(nèi)有一些函數(shù)挥等，因為這是c++結(jié)構(gòu)體，在c上做了擴(kuò)展韩肝，因此結(jié)構(gòu)體中可以包含函數(shù)触菜。我們來到objc_object內(nèi)，截取部分代碼

image.png

我們發(fā)現(xiàn)objc_object中有一個isa指針哀峻，那么objc_class繼承objc_object涡相，也就同樣擁有一個isa指針
那么我們之前了解到的，類中存儲的類的成員變量信息剩蟀，實例方法催蝗，屬性名等這些信息在哪里呢。我們來到class_rw_t中育特，截取部分代碼丙号，我們發(fā)現(xiàn)class_rw_t中存儲著方法列表，屬性列表缰冤，協(xié)議列表等內(nèi)容犬缨。

image.png

而class_rw_t是通過bits調(diào)用data方法得來的，我們來到data方法內(nèi)部實現(xiàn)棉浸。我們可以看到怀薛，data函數(shù)內(nèi)部僅僅對bits進(jìn)行&FAST_DATA_MASK操作

image.png

而成員變量信息則是存儲在class_ro_t內(nèi)部中的，我們來到class_ro_t內(nèi)查看迷郑。

image.png

最后總結(jié)通過一張圖進(jìn)行總結(jié)

image.png

如何證明上述內(nèi)容是正確的枝恋。
我們可以自定義一個結(jié)構(gòu)體创倔，如果我們自己寫的結(jié)構(gòu)和objc_class真實結(jié)構(gòu)是一樣的，那么當(dāng)我們強(qiáng)制轉(zhuǎn)化的時候焚碌，就會一一對應(yīng)的賦值畦攘。此時我們就可以拿到結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的信息。
下列代碼是我們仿照objc_class結(jié)構(gòu)體十电，提取其中需要使用到的信息知押，自定義的一個結(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對象 */
struct xx_objc_object {
    void *isa;
};

/* 類對象 */
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)鹃骂，獲取元類對象
// 上一篇我們講解過朗徊，isa指針需要經(jīng)過一次 & 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 */

接下來我們將自己定義的類強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為我們自定義的精簡的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;
}

通過打斷點，我們可以看到class內(nèi)部信息。
至此，我們再次拿出那張經(jīng)典的圖泌射，挨個分析圖中isa指針和superclass指針的指向

image.png

instance對象

首先我們來看instance對象豺裆，我們通過上一篇文章知道躺酒，instance對象中存儲著isa指針和其他成員變量丐膝，并且instance對象的isa指針是指向其類對象地址的煞烫。我們首先分析上述代碼中我們創(chuàng)建的object紊馏，person，student三個instance對象與其相對應(yīng)的類對象objectClass，personClass，studentClass搬味。

image.png

從上圖中我們可以發(fā)現(xiàn)instance對象中確實存儲了isa指針和其成員變量匹厘，同時將instance對象的isa指針經(jīng)過&運算之后計算出的地址確實是其相應(yīng)類對象的內(nèi)存地址炕柔。由此我們證明isa陵刹，superclass指向圖中的1，2欢嘿，3號線衰琐。

class對象

接著我們來看class對象也糊，同樣通過上一篇文章，我們明確class對象中存儲著isa指針羡宙，superclass指針狸剃，以及類的屬性信息，類的成員變量信息狗热，類的對象方法钞馁，和類的協(xié)議信息，而通過上面對object源碼的分析匿刮，我們知道這些信息存儲在class對象的class_rw_t中僧凰，我們通過強(qiáng)制轉(zhuǎn)化來窺探其中的內(nèi)容。如下圖

image.png

上圖中我們通過模擬對person類對象調(diào)用.data函數(shù)熟丸，即對bits進(jìn)行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)運算训措，并轉(zhuǎn)化為class_rw_t。即上圖中的personClassData光羞。其中我們發(fā)現(xiàn)成員變量信息隙弛，對象方法，屬性等信息只顯示first第一個狞山，如果想要拿到更多的需要通過代碼將指針后移獲取。而上圖中的instaceSize = 16也同person對象中isa指針8個字節(jié)+_age4個字節(jié)+_height4個字節(jié)相對應(yīng)起來叉寂。這里不在展開對objectClassData及studentClassData進(jìn)行分析萍启，基本內(nèi)容同personClassData相同。
那么類對象中的isa指針和superclass指針的指向是否如那張經(jīng)典的圖示呢屏鳍？我們來驗證一下勘纯。

image.png

通過上圖中的內(nèi)存地址的分析，由此我們證明isa钓瞭，superclass指向圖中驳遵，isa指針的4，5山涡，6號線堤结，以及superclass指針的10，11鸭丛，12號線竞穷。

meta-class對象

最后我們來看meta-class元類對象，上文提到meta-class中存儲著isa指針鳞溉，superclass指針瘾带，以及類的類方法信息。同時我們知道m(xù)eta-class元類對象與class類對象熟菲，具有相同的結(jié)構(gòu)看政，只不過存儲的信息不同朴恳，并且元類對象的isa指針指向基類的元類對象，基類的元類對象的isa指針指向自己允蚣。元類對象的superclass指針指向其父類的元類對象于颖，基類的元類對象的superclass指針指向其類對象。
與class對象相同厉萝，我們同樣通過模擬對person元類對象調(diào)用.data函數(shù)恍飘，即對bits進(jìn)行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)運算，并轉(zhuǎn)化為class_rw_t谴垫。

image.png

首先我們可以看到結(jié)構(gòu)同personClassData相同章母，并且成員變量及屬性列表等信息為空，而methods中存儲著類方法personClassMethod翩剪。
接著來驗證isa及superclass指針的指向是否同上圖序號標(biāo)注一樣乳怎。

image.png

上圖中通過地址證明meta-class的isa指向基類的meta-class，基類的isa指針也指向自己前弯。

image.png

上圖中通過地址證明meta-class的superclass指向父類的meta-class蚪缀，基類的meta-class的superclass指向基類的class類。

參考文章：
https://juejin.im/post/5ad210636fb9a028da7cf90c