小碼哥iOS學習筆記第三天: isa和superclass

• Objective-C中的物件, 主要可以分為3種

  • instance: 例項物件, 包含 isa和其他成員變數的值, ...
  • class: 類物件, 包含, isa、superclass、屬性、物件方法、協議、成員變數的描述, ...
  • meta-class: 元類物件, 包含 isa、superclass、類方法, ...

• 可以用下圖表示每種物件中包含的內容

一、準備程式碼

• 準備兩個類, Person類繼承自NSObject, Student類繼承自Person, 具體如下:

@interface Person : NSObject <NSCopying> {
    int _age;
}
@property (nonatomic, assign) double height;
- (void)personInstanceMethod;
+ (void)personClassMethod;
@end

@implementation Person
- (void)personInstanceMethod {}
+ (void)personClassMethod {}

- (id)copyWithZone:(nullable NSZone *)zone {
    return nil;
}
@end

@interface Student : Person {
    int _no;
}
@property (nonatomic, assign) double weight;
- (void)studentInstanceMethod;
+ (void)studentClassMethod;
@end
@implementation Student
- (void)studentInstanceMethod {}
+ (void)studentClassMethod {}
@end
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• Person類中, 主要包含以下內容

  • int型別的成員變數_age
  • double型別的屬性height
  • 一個例項方法- (void)personInstanceMethod
  • 一個類方法+ (void)personClassMethod
  • 遵守NSCopying協議, 並實現- (id)copyWithZone:(nullable NSZone *)zone方法

• Student類中, 主要包含以下內容

  • int型別的成員變數_no
  • double型別的成員變數weight
  • 一個物件方法- (void)studentInstanceMethod
  • 一個類方法+ (void)studentClassMethod

二、驗證OC呼叫方法是傳送訊息機制

• OC中方法的呼叫, 是通過傳送訊息機制實現的, 我們可以檢視底層程式碼來驗證

• 建立Person類的物件, 呼叫方法personInstanceMethod方法

Person *person = [[Person alloc] init];
[person personInstanceMethod];
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• 當前的程式碼如下圖:

• 我們使用終端cd到main.m的檔案中, 並執行命令:

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp
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• 將生成的main-arm64.cpp檔案拖到當前工程中:

• 可以在main-arm64.cpp檔案中, 找到如下程式碼:

• 可以看到有一句程式碼:

 ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("personInstanceMethod"));
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• 去掉型別轉換後:

objc_msgSend(person, sel_registerName("personInstanceMethod"));
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• 即: OC中呼叫方法, 在底層就是傳送一條訊息

三、物件的isa指標是指向哪裡?

問: 物件的isa指標是指向哪裡?
答: instance的isa, 指向class類物件, 類物件的isa指向meta-class元類物件

• 以NSObject物件為例

  • NSObject的例項物件: isa 指向 NSObject的class類物件
  • NSObject類物件: isa 指向 NSObject的meta-class元類物件
  • NSObject的meta-class元類物件: isa指向 NSObject的meta-class元類物件

• 以Person物件為例

  • Person的例項物件: isa 指向 Person的class類物件
  • Person類物件: isa 指向 Person的meta-class元類物件
  • Person的meta-class元類物件: isa指向 NSObject的meta-class元類物件

• 以Student物件為例

  • Student的例項物件: isa 指向 Student的class類物件
  • Student類物件: isa 指向 Student的meta-class元類物件
  • Student的meta-class元類物件: isa指向 NSObject的meta-class元類物件

• instance的isa指向class

  • 當呼叫物件方法時, 通過instance的isa找到class, 最後找到物件方法的實現進行呼叫

• class的isa指向meta-class

  • 當呼叫類方法時, 通過class的isa找到meta-class, 最後找到類方法的實現進行呼叫

• meta-class的isa指向基類的meta-class

四、class物件的superclass指標

• 類物件的superclass指標, 指向父類的類物件

那麼class中的superclass指標的作用是什麼呢?

• 現有如下程式碼:

Student *student = [[Student alloc] init];
[student studentInstanceMethod];
[student personInstanceMethod];
[student init];
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• 當student呼叫物件方法studentInstanceMethod時, 會有以下查詢方式
  • 通過instance的isa找到Student的class類物件, 檢視是否有studentInstanceMethod
  • 發現Student的class物件中有studentInstanceMethod方法, 停止繼續查詢, 通過訊息機制呼叫方法
• 當student呼叫父類Person的物件方法personInstanceMethod, 會有以下查詢方式
  • 通過student的isa找到Student的class類方法, 檢視是否有personInstanceMethod
  • 發現Student的class物件中沒有personInstanceMethod, 於是通過superclass指標找到Person的class物件, 檢視是否有personInstanceMethod
  • 在Person的class物件中發現personInstanceMethod方法, 停止繼續查詢, 通過訊息機制呼叫方法
• 當student呼叫基類NSObject的init方法時, 會有以下查詢方式
  • 首先, 通過isa指標找到Student的class物件, 檢視是否有init方法
  • 在Student的class物件中沒有發現init方法, 於是通過superclass指標找到Person的class物件
  • 在Person的class中查詢init方法, 結果發現Person的class物件中也沒有init方法
  • 此時, 就會通過Person的class物件中的superclass指標, 找到NSObject的class物件中, 查詢init方法
  • 在NSObject的class物件中, 找到了init方法, 停止繼續查詢, 通過訊息機制呼叫方法

注意: class的superclass會指向父類的class物件, 最後指向的是NSObject的class物件, 而NSObject的class物件中的superclass指標, 會指向nil

如果在發現NSObject的class中也沒有找到要呼叫的方法時, 就會報錯unrecognized selector sent to instance

五、meta-class中的superclass指標

• 與類物件的superclass指標類似, meta-class中的superclass指標指向父類的meta-class

• 在類方法的呼叫上, 與例項方法呼叫類似

• 當Student的class要呼叫Person的類方法時，會先通過isa找到Student的meta-class，然後通過superclass找到Person的meta-class，最後找到類方法的實現進行呼叫

注意: 基類NSObject的meta-class物件的superclass最終指向的是NSObject的class物件, 而不是指向nil

六、isa、superclass總結

• isa、superclass的作用如下圖:

• intance的isa指向class

• class的isa指向meta-class

• meta-class的isa指向基類的meta-class

• class的superclass指向父類的class

  • 如果沒有父類, superclass指標為nil

• meta-class的superclass指向父類的meta-class

  • 基類的meta-class的superclass指向基類的class

• instance呼叫物件方法的軌跡

  • isa找到class, 方法不存在, 就通過superclass找父類

• class呼叫類方法的軌跡

  • isa找meta-class, 方法不存在, 就通過superclass找父類

七、驗證NSObject的Meta-class物件中的superclass指向自身的Class物件

• 上面提到過: 基類的meta-class的superclass指向基類的class
• 下面通過程式碼來進行驗證

@interface Person: NSObject
+ (void)test;
@end
@implementation Person
+ (void)test {
    NSLog(@"+ [Person text] - %p", self);
}
@end
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• Person類繼承自NSObject, 有一個類對方+ (void)test, 並給出了方法的實現

NSLog(@"[Person class] - %p", [Person class]);
[Person test];

// 控制檯列印: 
[Person class] - 0x100001170
+ [Person text] - 0x100001170
複製程式碼

• 根據列印可以知道, 呼叫方法的正是Person類的Class物件

• 現在刪除test方法的實現部分, 只保留宣告部分

@interface Person: NSObject
+ (void)test;
@end
@implementation Person
@end
複製程式碼

• 再次呼叫該方法, 會報出執行時錯誤, test方法不存在

[Person test];
// 報錯: '+[Person test]: unrecognized selector sent to class 0x100001130'
複製程式碼

• 我們在給NSObject新增一個分類, 實現+ (void)test方法

@interface NSObject (Test)
+ (void)test;
@end
@implementation NSObject (Test)
+ (void)test
{
    NSLog(@"+ [NSObject test] - %p", self);
}
@end
複製程式碼

• 再次使用Person的類物件呼叫test方法

NSLog(@"[Person class] - %p", [Person class]);
[Person test];
// 控制檯列印: 
[Person class] - 0x100001220
+ [NSObject test] - 0x100001220
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• 此時的呼叫順序是:

  • 1、Person的類物件, 通過isa找到了Person的元類物件, 並查詢有沒有test方法
  • 2、由於Person的元類物件中沒有test方法, 於是通過superclass找到了父類NSObject的元類物件
  • 3、在NSObject的元類物件中, 發現了test方法, 傳送訊息, 呼叫方法

• 接著我們移除掉NSObject分類中的+ (void)test方法的實現

@interface NSObject (Test)
+ (void)test;
@end
@implementation NSObject (Test)
@end
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• 此時再次使用Person呼叫+ (void)test方法, 就會報執行時錯誤

[Person test];
reason: '+[Person test]: unrecognized selector sent to class 0x100001178'
複製程式碼

• 接著在NSObject的分類中, 給出一個物件方法- (void)test的方法實現

@interface NSObject (Test)
+ (void)test;
@end
@implementation NSObject (Test)
- (void)test {
    NSLog(@"- [NSObject test] - %p", self);
}
@end
複製程式碼

• 再次使用Person呼叫類方法+(void)test

NSLog(@"[Person class] - %p", [Person class]);
[Person test];
// 控制檯列印:
[Person class] - 0x1000011b8
- [NSObject test] - 0x1000011b8
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• 此時呼叫成功, 說明當NSObject的元類物件中沒有test方法時, 就會通過superclass指標找到NSObject的類物件, 並查詢有沒有test方法
• 由於在NSObject中找到了test方法, 所以會直接呼叫