前言

等風(fēng)來不如追風(fēng)去，總有那么一個人在這風(fēng)景正好的季節(jié)來到你的身邊雅潭。在上一篇探究了對象的本質(zhì)和isa指針的底層均蜜，那么我們繼續(xù)來看類的底層結(jié)構(gòu)担平。

補(bǔ)充知識

• 在OC環(huán)境下使用的類示绊，在底層都有替換的類去實現(xiàn)

底層實現(xiàn).png

isa 和類的關(guān)聯(lián)

類的isa

探索對象的時候我們已經(jīng)知道，對象的結(jié)構(gòu)體中的isa指向的是類暂论，這個時候就會想面褐，類也是一個對象，類中也有isa取胎，那么類的isa又指向哪里呢展哭？如下圖：

類和isa的關(guān)聯(lián).png

類的地址.png

總結(jié)：

• 元類由系統(tǒng)編譯器自動生成和編譯，與創(chuàng)建者無關(guān)
• 對象的isa指向類，類對象的isa指向元類

isa的走位圖

上面我們已經(jīng)分析了對象映挂、類的isa的走向，那么元類的isa又指向哪里呢盗尸？結(jié)合LLDB來進(jìn)行探索柑船。

LLDB調(diào)試isa走位圖.png

• 對象 isa --> 類 isa --> 元類 isa --> 根元類isa --> 根元類(自己)
• 根類(NSObject) isa --> 根元類 isa --> 根元類(自己)

isa的流程圖:

isa走位圖.png

類、元類泼各、根元類繼承圖

創(chuàng)建JCPerson,JCTeacher,NSObject的相關(guān)代碼鞍时，探究一下它們的繼承關(guān)系。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"%@",class_getSuperclass(JCTeacher.class));
        NSLog(@"%@",class_getSuperclass(JCPerson.class));
        NSLog(@"%@",class_getSuperclass(NSObject.class));
        # NSObject實例對象
        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(@"\nNSObject實例對象  %p\nNSObject類  %p\nNSObject元類  %p\nNSObject根元類  %p\nNSObject根根元類  %p",object1,class,metaClass,rootMetaClass,rootRootMetaClass);
        # 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);
        # JCPerson元類和元類的父類
        Class pMetaClass = object_getClass(JCPerson.class);
        Class psuperClass = class_getSuperclass(pMetaClass);
        NSLog(@"%@ - %p",psuperClass,psuperClass);
        # JCTeacher元類和元類的父類
        Class tMetaClass = object_getClass(JCTeacher.class);
        Class tsuperClass = class_getSuperclass(tMetaClass);
        NSLog(@"%@ - %p",tsuperClass,tsuperClass);
    }
    return 0;
}

類扣蜻、元類的繼承關(guān)系.png

• JCTeacher-->JCPerson-->NSObject-->nil
• JCTeacher元類-->JCPerson元類-->NSObject元類-->NSObject根元類-->NSObject

類的繼承圖:

類的繼承圖.png

isa流程圖和繼承鏈:

isa流程圖和繼承圖.png

內(nèi)存偏移

在前面探究對象的底層實現(xiàn)，我們了解到對象屬性的getter方法底層實現(xiàn)是通過首地址+內(nèi)存偏移的方式去獲取內(nèi)存中的變量芳肌。接下來我們來看一下內(nèi)存偏移灵再。

基本指針

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

==========: 10 -- 0x7ffeefbff4ec
==========: 10 -- 0x7ffeefbff4e8

• a的地址是0x7ffeefbff4ec，b的地址是0x7ffeefbff4e8亿笤，相差4個字節(jié)翎迁，int類型是4個字節(jié)的長度
• a>b的地址，從高地址往低地址偏移净薛，這符合棧內(nèi)存的分配原則

對象指針

# 對象
JCPerson *p1 = [JCPerson alloc];
JCPerson *p2 = [JCPerson alloc];
JCNSLog(@"%@ -- %p",p1,&p1);
JCNSLog(@"%@ -- %p",p2,&p2);

==========: <JCPerson: 0x1004075a0> -- 0x7ffeefbff4e8
==========: <JCPerson: 0x100408570> -- 0x7ffeefbff4e0

• alloc開辟的內(nèi)存在堆區(qū)汪榔，指針地址在棧區(qū)
• 堆區(qū)是從低地址 --> 高地址，棧區(qū)是從高地址 --> 低地址

數(shù)組指針

int c[4] = {1,2,3,4};
int *d   = c;
JCNSLog(@"%p - %p - %p",&c,&c[0],&c[1]);
JCNSLog(@"%p - %p - %p",d,d+1,d+2);

for (int i = 0; i<4; i++) {
     int value =  *(d+i);
     JCNSLog(@"----%d",value);
}

==========: 0x7ffeefbff4e0 - 0x7ffeefbff4e0 - 0x7ffeefbff4e4
==========: 0x7ffeefbff4e0 - 0x7ffeefbff4e4 - 0x7ffeefbff4e8
==========: ----1
==========: ----2
==========: ----3
==========: ----4

• 數(shù)組的地址就是元素的首地址罕拂，即&c == &c[0]
• 數(shù)組中每個元素的地址可以通過：首地址 + n*元素類型大小來獲取揍异，只需要數(shù)組中元素數(shù)據(jù)類型相同
• 數(shù)組中的每個元素的地址間隔是通過當(dāng)前元素的數(shù)據(jù)類型決定的

總結(jié)：

• 內(nèi)存偏移可以根據(jù)首地址 + 偏移值方式來獲取各個數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址

類結(jié)構(gòu)的分析

上面我們已經(jīng)了解了內(nèi)存偏移的知識，接下來我們來探究類的底層結(jié)構(gòu)爆班。

類的內(nèi)存地址.png

類的底層結(jié)構(gòu):

探索對象isa的過程中，我們已經(jīng)知道isa在底層是Class類型懦胞，Class類型是objc_class *替久，所有類的底層實現(xiàn)都是objc_class，通過全局搜索可以找到如下代碼:

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;   # OBJC2不可用

通過上面這段代碼我們發(fā)現(xiàn)在OBJC2中不可用躏尉，而現(xiàn)在的版本基本是在用OBJC2蚯根，所以這不是我們分析的，接下來在看一下如下代碼：

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
    ...
    下面全部是方法胀糜，不需要分析颅拦，省略
}

源碼分析：objc_class是繼承objc_object，這說明類也是對象教藻，所謂萬物皆對象距帅。objc_class里面有一個隱藏成員變量isa，我們前面已經(jīng)分析過了括堤，下面還有三個成員變量superclass,cache,bits碌秸，我們知道首地址就是isa，那么我們可以通過首地址+偏移量的方式去獲取成員變量的地址悄窃，然后獲取值讥电。

• isa是結(jié)構(gòu)體指針，占8字節(jié)
• Class superclass是Class類型广匙，也是屬于結(jié)構(gòu)體指針允趟，占8字節(jié)
• cache是cache_t結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體大小由內(nèi)部的變量決定
• bits是class_data_bits_t結(jié)構(gòu)體鸦致，如果知道前面三個成員變量的大小潮剪，那么就可以得到bits的地址

前面三個成員變量已經(jīng)知道了前兩個的大小，只要知道cache的內(nèi)存大小分唾，接下來看一下cache_t的內(nèi)存大小

typedef unsigned long           uintptr_t;
#if __LP64__
typedef uint32_t mask_t;  // x86_64 & arm64 asm are less efficient with 16-bits
#else
typedef uint16_t mask_t;
#endif

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
    };
   ...
   下面的一些方法直接省略（static類型的是在內(nèi)存的全局區(qū)抗碰，不在結(jié)構(gòu)體里面的內(nèi)存）

}

cache_t是一個結(jié)構(gòu)體類型，內(nèi)部包含了_bucketsAndMaybeMask和一個聯(lián)合體.

• _bucketsAndMaybeMask是uintptr_t類型绽乔，而uintptr_t是無符號長整型占8個字節(jié)
• 聯(lián)合體內(nèi)存大小由成員變量中的最大變量的內(nèi)存大小決定弧蝇，該聯(lián)合體由一個結(jié)構(gòu)體和_originalPreoptCache兩個成員變量組成，由于聯(lián)合體存在互斥的折砸，所以只需要得到其中最大變量的內(nèi)存大小
• _originalPreoptCache是preopt_cache_t *結(jié)構(gòu)體指針類型看疗，占8個字節(jié)
• 結(jié)構(gòu)體中有_maybeMask,_flags,_occupied。_maybeMask是mask_t類型睦授，mask_t又是uint32_t類型两芳，占4個字節(jié)，_flags和_occupied是uint16_t類型去枷，占2個字節(jié)

綜上所述cache_t的內(nèi)存大小為16字節(jié)怖辆。

總結(jié)：

• isa內(nèi)存地址為首地址
• superclass地址為首地址+0x08
• cache_t地址為首地址+0x10
• bits地址為首地址+0x20
  
  類的結(jié)構(gòu)圖.png

bits數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

上面已經(jīng)了解類的基本結(jié)構(gòu)是复，isa和superclass已經(jīng)探究過了，接下來我們先來研究一下成員變量bits存儲了哪些信息竖螃？

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 {...}
    void setSuperclass(Class newSuperclass) {...}

    class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }
    void setData(class_rw_t *newData) {
        bits.setData(newData);
    }

bits是class_data_bits_t類型淑廊，底層源碼中還有一個data()，返回bits.data()特咆，這有可能就是bits中存儲的數(shù)據(jù)季惩。data()的類型是class_rw_t。

struct class_rw_t {
    ... //省略一些沒用的方法
    const class_ro_t *ro() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (slowpath(v.is<class_rw_ext_t *>())) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext)->ro;
        }
        return v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext);
    }

    void set_ro(const class_ro_t *ro) {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            v.get<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext)->ro = ro;
        } else {
            set_ro_or_rwe(ro);
        }
    }
    const method_array_t methods() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext)->methods;
        } else {
            return method_array_t{v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext)->baseMethods()};
        }
    }

    const property_array_t properties() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext)->properties;
        } else {
            return property_array_t{v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext)->baseProperties};
        }
    }

    const protocol_array_t protocols() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext)->protocols;
        } else {
            return protocol_array_t{v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext)->baseProtocols};
        }
    }

class_rw_t是一個結(jié)構(gòu)體腻格，里面存儲著方法,屬性,協(xié)議列表蜀备，接下來驗證是否存儲在class_rw_t中。

屬性探究( properties() )

@interface JCPerson : NSObject{
    NSString *subject;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, copy) NSString *hobby;

- (void)sayNB;
+ (void)say666;
@end

類結(jié)構(gòu)中屬性分析.png

• property_list_t中存儲name,hobby屬性
• p $7.get(2)會提示數(shù)組越界荒叶，沒有找到成員變量subject

問題：那么定義的subject成員變量存到哪里去了呢？

補(bǔ)充：成員變量

class_rw_t中除了有屬性,方法,協(xié)議以外输虱，還有class_ro_t結(jié)構(gòu)體指針類型的ro()些楣，在class_ro_t結(jié)構(gòu)體中我們可以找到ivar_list_t類型的指針ivars，成員變量會不會存在這里呢宪睹？

struct class_ro_t {
    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;

類結(jié)構(gòu)中成員變量分析.png

源碼和LLDB分析：

• 成員變量底層實現(xiàn)是ivar_t愁茁，存儲在class_ro_t成員變量列表
• 系統(tǒng)是自動給屬性添加_屬性名的變量，存儲在class_ro_t成員變量列表

方法探究( methods() )

類結(jié)構(gòu)的方法分析.png

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

struct method_t {
    struct big {
        SEL name;
        const char *types;
        MethodListIMP imp;
    };
    big &big() const {
        ASSERT(!isSmall());
        return *(struct big *)this;
    }

    SEL name() const {
        if (isSmall()) {
            return (small().inSharedCache()
                    ? (SEL)small().name.get()
                    : *(SEL *)small().name.get());
        } else {
            return big().name;
        }
    }
    const char *types() const {
        return isSmall() ? small().types.get() : big().types;
    }
    IMP imp(bool needsLock) const {
        if (isSmall()) {
            IMP imp = remappedImp(needsLock);
            if (!imp)
                imp = ptrauth_sign_unauthenticated(small().imp.get(),
                                                   ptrauth_key_function_pointer, 0);
            return imp;
        }
        return big().imp;
    }

屬性和方法獲取區(qū)別.png

• 屬性底層實現(xiàn)是property_t，在property_t結(jié)構(gòu)體中定義了name等變量
• 方法底層實現(xiàn)是method_t整袁，在method_t結(jié)構(gòu)體中定義了一個big()菠齿，通過big()獲取SEL和IMP

接下來我們繼續(xù)打印methods，如下圖坐昙。

類結(jié)構(gòu)的方法分析2.png

• method_list_t中有對象方法,屬性的setter方法和getter方法
• method_list_t中沒有獲取到類方法

問題：那么類方法存儲到哪里去了呢绳匀？

補(bǔ)充：類方法

對象方法存儲在類中，那類方法可能存儲在元類炸客。

類方法的分析.png

• object_getClass獲取到JCPerson的元類
• 元類中method_list_t中存儲著類方法

總結(jié)：

• 類的結(jié)構(gòu)主要由isa,superclass,cache,bits組成
• bits中存儲著屬性,方法,協(xié)議
• 屬性存儲在property_list_t中疾棵，而成員變量存儲在class_ro_t-->ivar_list_t，系統(tǒng)為屬性自動生成的_屬性名的變量也存儲在class_ro_t-->ivar_list_t
• 方法存儲在method_list_t中痹仙，method_list_t主要存儲著對象方法,屬性的setter方法和getter方法是尔，而類方法存儲在元類中的method_list_t