Objective-C 類的本質

swordjoy發表於2019-02-27

Objective-C (以下簡稱 OC )是一門動態性強的程式語言，OC 的動態性是基於 Runtime 來實現的，Runtime 系統是由 C\C++\組合語言 編寫的，提供的 API 基本都是 C 語言的。這裡我們從蘋果提供的 Runtime 程式碼來探究類的本質。

runtime 原始碼地址

legacy 版本

OC 的 runtime 分為兩個版本.一個是 legacy 版本,一個是 modern 版本。相信很多讀者都見過下面這段代表 OC 類結構的程式碼：

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;
複製程式碼

其實這段程式碼就是 legacy 版本已經在 2006 年的 WWDC 大會上釋出 Objective-C 2.0 後棄用了， OBJC2_UNAVAILABLE 標記的內容已經不再使用，那麼現在的結構是什麼呢？

物件

OC 中，每一個物件都是類的例項，先直接來看原始碼中的結構：

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
    // ...
}
複製程式碼

代表物件的結構中只有一個 isa 的成員變數，在 arm64 架構下，系統對 isa 進行了優化，它不光存著地址資訊，還存著其他資訊。因此物件的本質就是包含了一個私有成員變數 isa 的結構體，而 isa 存著的地址就指向著物件所屬的類。不同的物件有不同的成員變數，編譯後，每個物件的結構體也會存著自己的成員變數的值。

使用命令獲取編譯後的程式碼 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc Coder.m

@interface Coder : Person
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end
    
// 編譯後檢視 `Coder` 的實現
struct NSObject_IMPL {
	Class isa;
};

struct Coder_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
	NSString * _Nonnull _name;
};
複製程式碼

之所以成員變數的值存在物件中，這個也很好理解，每個物件肯定是獨立存在的，都需要擁有自己的變數值。而變數名稱和方法等等存在什麼地方呢，就是類了！

類

類存著成員變數的型別，方法等等，原始碼如下：

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() { 
        return bits.data();
    }
    // 省略...
}
複製程式碼

首先可以看到的一點是 objc_class 繼承了 objc_object，因此其實 OC 中的類也可以理解為一種物件，稱之為類物件，在 legacy 版本中，物件的結構體中只有一個 isa 指標，指向它的類物件，而類物件中也有一個 isa 指標，指向它的元類。modern 版本使用繼承後，類物件的結構體就繼承了這個優化後的 isa 變數。但對比兩個版本，會發現 modern 版本中除了superclass&cache ，其餘的很多變數不在了，並多了一個 bits 變數。

struct class_data_bits_t {
    uintptr_t bits;
    
    class_rw_t* data() {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
	// ...
}
複製程式碼

這個結構體裡面是通過一個位運算獲取的指向 class_rw_t 的指標，可見 bits 存著 class_rw_t 結構體的指標和一些其他資訊。然後把目光轉到 class_rw_t 上：

'rw' 和 ro' 分別表示 'readwrite' 和 'readonly'

struct class_rw_t {
    // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
    uint32_t flags;
    uint32_t version;

    const class_ro_t *ro;

    method_array_t methods;
    property_array_t properties;
    protocol_array_t protocols;
    // ...
}
複製程式碼

可以看到原先 legacy 版本中的方法、屬性和協議列表就存在這個裡面，這幾個列表可以理解為是二維陣列，是可讀可寫的，包含了類的初始內容、分類的內容，二維陣列方便增加。而這裡又有一個 class_ro_t :

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;
    // ....
    const char * name;
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;
    // ....
};
複製程式碼