萬物皆對象

我們知道在iOS中旅掂，id可以指向所有的實例對象，Class可以指向所有的類访娶，我們來看一下他們的聲明：

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

從聲明中可以看出商虐，OC的所有實例對象都是由objc_object結(jié)構(gòu)體擴(kuò)展而來，我們知道objc_object結(jié)構(gòu)體中有一個isa指針崖疤，所以所有的對象都有isa指針秘车。
我們再來看一下objc_class的聲明：

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();
    }
    省略。劫哼。叮趴。
}

從objc_class的結(jié)構(gòu)可以得出，OC中所有的類其實也是對象权烧，也存在isa指針眯亦，所以這就是我們常說的萬物皆對象伤溉。

對象、類妻率、元類乱顾、根元類

在前一篇iOS之isa文章的最后，插入了一張圖舌涨，如下：

類的繼承.png

很多iOS開發(fā)者糯耍，肯定不止一次見到過這張圖，我想肯定有人會有疑問囊嘉，真的像圖中這樣嗎温技？下面我們驗證一下。

@interface PYTeacher : NSObject

@end

@implementation PYTeacher

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        PYTeacher *teacher = [PYTeacher alloc];
        NSLog(@"%@", teacher);
    }
    return 0;
}

依然是上面這段代碼扭粱，我們可以通過打印對象的內(nèi)存分布來驗證舵鳞，依然以x86_64為例，ISA_MASK為0x00007ffffffffff8ULL：

對象的 `isa` 指向類

(lldb) x/2gx teacher
0x100712980: 0x001d800100002359 0x0000000000000000
// isa & ISA_MASK
(lldb) po 0x001d800100002359 & 0x00007ffffffffff8ULL
PYTeacher

從上面的打印結(jié)果琢蛤，我們得出 teacher對象的 isa 指向 PYTeacher 類：

image.png

類的 `isa` 指向元類

由第一節(jié)我們得出蜓堕，類也是對象，也存在isa指針博其，那類的isa指針指向哪里呢套才？我們打印一下類的isa：

(lldb) x/2gx PYTeacher.class
0x100002358: 0x0000000100002330 0x00007fff940b3118

// 打印 PYTeacher 的元類
(lldb) po 0x0000000100002330 & 0x00007ffffffffff8ULL
PYTeacher

從打印結(jié)果，我們看到慕淡，PYTeacher的isa也指向PYTeacher背伴，那這兩個PYTeacher類是同一個嗎？我們打印一下他們各自的地址：

(lldb) p/x 0x0000000100002330 & 0x00007ffffffffff8ULL
// PYTeacher元類的地址
(unsigned long long) $4 = 0x0000000100002330

(lldb) p/x PYTeacher.class
// PYTeacher類的地址
(Class) $5 = 0x0000000100002358 PYTeacher

我們看到這兩個PYTeacher的地址并不相同峰髓，實際上PYTeacher的isa指向了他的元類 PYTeacher：

image.png

元類的 `isa` 指向根元類

得到上面isa的指向流程以后傻寂，我們肯定會想，元類的 isa 指向誰呢携兵？我們還是通過打印來看一下：

(lldb) x/2gx 0x0000000100002330 // PYTeacher元類的地址
0x100002330: 0x00007fff940b30f0 0x00007fff940b30f0

// 打印根元類
(lldb) po 0x00007fff940b30f0 & 0x00007ffffffffff8ULL
NSObject

從打印結(jié)果看疾掰，元類的isa指向NSObject，這時徐紧，我們會想這個NSObject是我們常用的那個NSObject嗎静檬？我們來驗證一下：

(lldb) p/x 0x00007fff940b30f0 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $7 = 0x00007fff940b30f0 // 剛才得出的NSObject的地址

(lldb) p/x NSObject.class
(Class) $8 = 0x00007fff940b3118 NSObject // 我們常用的NSObject的地址

(lldb) x/2gx NSObject.class
0x7fff940b3118: 0x00007fff940b30f0 0x0000000000000000

(lldb) p/x 0x00007fff940b30f0 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $10 = 0x00007fff940b30f0 // NSObject的元類的地址

我們看到剛才得出的NSObject是NSObject的元類，也就是根元類：

image.png

根元類的 `isa` 指向自己

驗證到這里并级，肯定有人會想拂檩，根元類的 isa 又指向哪里呢？我們繼續(xù)驗證：

(lldb) x/2gx 0x00007fff940b30f0 // 根元類的地址
0x7fff940b30f0: 0x00007fff940b30f0 0x00007fff940b3118

(lldb) p/x 0x00007fff940b30f0 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $11 = 0x00007fff940b30f0 // 根元類isa指向的地址

(lldb) po 0x00007fff940b30f0 & 0x00007ffffffffff8ULL
NSObject

打印結(jié)果得出：根元類的 isa 指向了自己死遭。

image.png

類的結(jié)構(gòu)

我們在iOS的源碼中看到objc_class的結(jié)構(gòu)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();
    }
    省略。凯旋。呀潭。
}

objc_class的成員變量在內(nèi)存中的分布如下：

image.png

從內(nèi)存分布可以看出钉迷，我們可以通過移動pointer（類的地址指針），來讀取不同地址的信息钠署。我們知道 isa 是 8 個字節(jié)糠聪，所以對 pointer移動8個字節(jié)，就可以讀取superclass的內(nèi)容谐鼎，下面我們可以驗證一下：

@interface PYEnglishTeacher : PYTeacher
@end

@implementation PYEnglishTeacher
@end

我們創(chuàng)建了一個PYEnglishTeacher類繼承自PYTeacher類:

(lldb) p/x PYEnglishTeacher.class
(Class) $0 = 0x0000000100002438 PYEnglishTeacher

(lldb) po 0x0000000100002438 + 8
<PYTeacher: 0x100002440>

所以舰蟆，對PYEnglishTeacher類的地址移動8個字節(jié)，就可以讀取到superclass狸棍。

Methods

我們發(fā)現(xiàn)在objc_class中身害，有isa、superclass草戈、cache塌鸯、bits等成員變量，但是我們自己聲明的屬性唐片、方法丙猬、協(xié)議存儲在哪呢？我們知道费韭，在以前的objc_class定義中茧球，是有objc_ivar_list、objc_method_list星持、objc_cache抢埋、objc_protocol_list等成員變量的，那現(xiàn)在蘋果是如何設(shè)計的呢钉汗？我們發(fā)現(xiàn)objc_class中有class_rw_t *data()的方法羹令，class_rw_t定義如下：

struct class_rw_t {

   省略。损痰。福侈。

    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;
        }
        return v.get<const class_ro_t *>();
    }

    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 = 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 *>()->methods;
        } else {
            return method_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->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 *>()->properties;
        } else {
            return property_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->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 *>()->protocols;
        } else {
            return protocol_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseProtocols};
        }
    }
};

從 class_rw_t 的結(jié)構(gòu)，我們得出可以通過 class_rw_t 來讀取方法列表等卢未。所以首先我們要知道肪凛，需要移動多少字節(jié)，才能讀取objc_class中的bits辽社。
我們知道isa為8字節(jié)伟墙，superclass為8字節(jié)，那cache是多少字節(jié)呢滴铅？我們看一下cache_t的結(jié)構(gòu)：

struct cache_t {

    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;  // 8字節(jié)
    explicit_atomic<mask_t> _mask;  // 4字節(jié)
    省略戳葵。。
#if __LP64__
    uint16_t _flags;  // 2字節(jié)
#endif
    uint16_t _occupied; // 2字節(jié)
}

所以 cache 是16字節(jié)汉匙。所以pointer移動32個字節(jié)就是bits的地址拱烁。我們打印一下PYTeacher：

(lldb) p/x PYTeacher.class
(Class) $0 = 0x0000000100002208 PYTeacher

// 打印class_data_bits_t bits地址
(lldb) p (class_data_bits_t *)(0x0000000100002208 + 32)
(class_data_bits_t *) $1 = 0x0000000100002228

$1為class_data_bits_t結(jié)構(gòu)體的指針生蚁，通過調(diào)用data()方法可以得到class_rw_t的指針：

(lldb) p $1->data()
(class_rw_t *) $2 = 0x00000001021100b0

我們打印$2指向的class_rw_t結(jié)構(gòu)體：

(lldb) p *$2
(class_rw_t) $3 = {
  flags = 2148007936
  witness = 0
  ro_or_rw_ext = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = 4294975600
  }
  firstSubclass = PYEnglishTeacher
  nextSiblingClass = NSUUID
}

現(xiàn)在我們PYTeacher添加一些方法和屬性：

@interface PYTeacher : NSObject {
    NSString *name;
}

@property (nonatomic, assign) int age;

- (void)teach;
+ (void)study;

@end

@implementation PYTeacher

- (void)teach {
    
}

+ (void)study {
    
}

@end

這時，我們再打印class_rw_t的內(nèi)容：

(lldb) p/x PYTeacher.class
(Class) $0 = 0x0000000100002300 PYTeacher

// 打印bits的地址
(lldb) p (class_data_bits_t *)(0x0000000100002300 + 32)
(class_data_bits_t *) $1 = 0x0000000100002320

// 獲取class_rw_t的指針
(lldb) p $1->data()
(class_rw_t *) $2 = 0x0000000100677d80

// 打印 class_rw_t 內(nèi)容
(lldb) p *$2
(class_rw_t) $3 = {
  flags = 2148007936
  witness = 0
  ro_or_rw_ext = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = 4294975632
  }
  firstSubclass = PYEnglishTeacher
  nextSiblingClass = NSUUID
}

// 獲取class_rw_t中的方法列表
(lldb) p $3.methods()
(const method_array_t) $4 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
     = {
      list = 0x00000001000020d8
      arrayAndFlag = 4294975704
    }
  }
}

// 獲取method_list_t的數(shù)組指針
(lldb) p $4.list
(method_list_t *const) $5 = 0x00000001000020d8

// 打印method_list_t數(shù)組戏自，其實就是數(shù)組的第0位
(lldb) p *$5
(method_list_t) $6 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
    entsizeAndFlags = 26
    count = 4
    first = {
      name = "teach"
      types = 0x0000000100000f74 "v16@0:8"
      imp = 0x0000000100000de0 (KCObjc`-[PYTeacher teach] at main.m:24)
    }
  }
}

// 打印數(shù)組中的內(nèi)容
(lldb) p $6.get(0)
(method_t) $7 = {
  name = "teach"
  types = 0x0000000100000f74 "v16@0:8"
  imp = 0x0000000100000de0 (KCObjc`-[PYTeacher teach] at main.m:24)
}

(lldb) p $6.get(1)
(method_t) $8 = {
  name = ".cxx_destruct"
  types = 0x0000000100000f74 "v16@0:8"
  imp = 0x0000000100000e30 (KCObjc`-[PYTeacher .cxx_destruct] at main.m:22)
}

(lldb) p $6.get(2)
(method_t) $9 = {
  name = "age"
  types = 0x0000000100000f8a "i16@0:8"
  imp = 0x0000000100000df0 (KCObjc`-[PYTeacher age] at main.m:15)
}

(lldb) p $6.get(3)
(method_t) $10 = {
  name = "setAge:"
  types = 0x0000000100000f92 "v20@0:8i16"
  imp = 0x0000000100000e10 (KCObjc`-[PYTeacher setAge:] at main.m:15)
}

我們看到方法列表中有4個方法邦投，但是沒有
+ (void)study方法，為什么呢擅笔？
仔細(xì)觀察我們會發(fā)現(xiàn)志衣，這4個方法，除了1個C++的方法外猛们，其他3個都是對象方法念脯，也就是對象方法存在類的方法列表里，我們說萬物皆對象阅懦，類是元類的對象和二，難道說類對象的”對象方法“存在元類的方法列表里？下面我們驗證一下：

(lldb) x/2gx PYTeacher.class
0x100002300: 0x00000001000022d8 0x0000000100334140
(lldb) po 0x00000001000022d8 & 0x00007ffffffffff8ULL
PYTeacher

// 打印 PYTeacher元類 的地址
(lldb) p/x 0x00000001000022d8 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $13 = 0x00000001000022d8

// 打印元類中的 bits
(lldb) p (class_data_bits_t *)(0x00000001000022d8 + 32)
(class_data_bits_t *) $14 = 0x00000001000022f8

// 獲取 class_rw_t 的地址
(lldb) p $14->data()
(class_rw_t *) $15 = 0x0000000100677d40

// 打印 class_rw_t 的內(nèi)容
(lldb) p *$15
(class_rw_t) $16 = {
  flags = 2684878849
  witness = 1
  ro_or_rw_ext = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = 4294975528
  }
  firstSubclass = 0x0000000100002328
  nextSiblingClass = 0x00007fff8b968cd8
}

// 獲取 元類 的方法列表
(lldb) p $16.methods()
(const method_array_t) $17 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002070
      arrayAndFlag = 4294975600
    }
  }
}

// 打印方法列表的地址
(lldb) p $17.list
(method_list_t *const) $18 = 0x0000000100002070

// 打印方法列表信息
(lldb) p *$18
(method_list_t) $19 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
    entsizeAndFlags = 26
    count = 1
    first = {
      name = "study"
      types = 0x0000000100000f74 "v16@0:8"
      imp = 0x0000000100000dd0 (KCObjc`+[PYTeacher study] at main.m:28)
    }
  }
}

正如我們猜測的那樣耳胎，+ (void)study方法存在元類的方法列表中惯吕。

Properties

我們再來看一下property：

(lldb) p $3.properties()
(const property_array_t) $20 = {
  list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002188
      arrayAndFlag = 4294975880
    }
  }
}

// 打印屬性列表地址
(lldb) p $20.list
(property_list_t *const) $21 = 0x0000000100002188

// 打印屬性列表信息
(lldb) p *$21
(property_list_t) $22 = {
  entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> = {
    entsizeAndFlags = 16
    count = 1
    first = (name = "age", attributes = "Ti,N,V_age")
  }
}

這里我們看到了age屬性，在class_rw_t中怕午，我們卻沒找到成員變量的存儲位置废登，但是class_rw_t中，有獲取和設(shè)置class_ro_t的方法郁惜，我們來看一下class_ro_t結(jié)構(gòu)體堡距。

class_ro_t

class_ro_t結(jié)構(gòu)體如下：

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif

    const uint8_t * ivarLayout;
    
    const char * name;
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;

    省略。兆蕉。羽戒。
};

我們看到class_ro_t中有const ivar_list_t * ivars，我們來打印一下：

(lldb) p $3.ro()
(const class_ro_t *) $23 = 0x0000000100002090

// 打印 class_ro_t 內(nèi)容
(lldb) p *$23
(const class_ro_t) $24 = {
  flags = 388
  instanceStart = 8
  instanceSize = 20
  reserved = 0
  ivarLayout = 0x0000000100000f28 "\x01"
  name = 0x0000000100000f1e "PYTeacher"
  baseMethodList = 0x00000001000020d8
  baseProtocols = 0x0000000000000000
  ivars = 0x0000000100002140
  weakIvarLayout = 0x0000000000000000
  baseProperties = 0x0000000100002188
  _swiftMetadataInitializer_NEVER_USE = {}
}

// 打印 ivar_list_t 地址
(lldb) p $24->ivars
(const ivar_list_t *const) $25 = 0x0000000100002140
  Fix-it applied, fixed expression was: 
    $24.ivars

// 打印 ivar_list_t 內(nèi)容
(lldb) p *$25
(const ivar_list_t) $26 = {
  entsize_list_tt<ivar_t, ivar_list_t, 0> = {
    entsizeAndFlags = 32
    count = 2
    first = {
      offset = 0x00000001000022c8
      name = 0x0000000100000f4a "name"
      type = 0x0000000100000f7c "@\"NSString\""
      alignment_raw = 3
      size = 8
    }
  }
}

// 獲取成員變量
(lldb) p $26.get(0)
(ivar_t) $27 = {
  offset = 0x00000001000022c8
  name = 0x0000000100000f4a "name"
  type = 0x0000000100000f7c "@\"NSString\""
  alignment_raw = 3
  size = 8
}

(lldb) p $26.get(1)
(ivar_t) $28 = {
  offset = 0x00000001000022d0
  name = 0x0000000100000f4f "_age"
  type = 0x0000000100000f88 "i"
  alignment_raw = 2
  size = 4
}

ivar_list_t中存儲這name和_age成員變量虎韵。

小結(jié)

對象的成員變量存儲在類的class_ro_t中易稠；
對象方法和屬性存儲在類的class_rw_t中；
類方法存儲在元類的class_rw_t中包蓝。

iOS之類的結(jié)構(gòu)分析

iOS之類的結(jié)構(gòu)分析

萬物皆對象

對象、類妻率、元類乱顾、根元類

對象的 `isa` 指向類

類的 `isa` 指向元類

元類的 `isa` 指向根元類

根元類的 `isa` 指向自己

類的結(jié)構(gòu)

Methods

Properties

class_ro_t

小結(jié)

iOS之類的結(jié)構(gòu)分析

萬物皆對象

對象、類妻率、元類乱顾、根元類

對象的 isa 指向類

類的 isa 指向元類

元類的 isa 指向根元類

根元類的 isa 指向自己

類的結(jié)構(gòu)

Methods

Properties

class_ro_t

小結(jié)

對象的 `isa` 指向類

類的 `isa` 指向元類

元類的 `isa` 指向根元類

根元類的 `isa` 指向自己