面試驅動技術之 - isa && 元類 && 函式呼叫

小蠢驢打程式碼發表於2019-01-20
面試函式

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面試驅動技術之 - 帶著面試題來找答案

  • 一個NSObject 物件，佔用多少記憶體
  • 物件方法 與 類方法的存放在哪
  • 什麼是isa指標
  • 什麼是meta-class
  • megsend 是如何找到方法的
@implementation MNSubclass

- (void)compareSelfWithSuperclass{
    NSLog(@"self class = %@",[self class]);
    NSLog(@"super class = %@",[super class]);
}
@end
複製程式碼
  • 輸出的結果是什麼
  • 。。。

友情tips：如果上訴問題你都知道答案，或者沒有興趣知道，就可以不用繼續往下看了，興趣是最好的老師，如果沒有興趣知道這些，往下很難讀得進去~


OC物件的本質

我們平時編寫的Objetcive-C,底層實現都是C/C++實現的

面試驅動技術之 - isa && 元類 && 函式呼叫

  • 問 : Objetcive-C 基於 C/C++ 實現的話，Objetcive-C 物件相當於C/C++ 中的什麼資料結構呢？
@interface MNPerson : NSObject
{
    int _age;
    double _height;
    NSString *name;
}
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以MNPerson為例，裡面的成員變數有不同型別是，比如int、double、NSString 型別，假如在C/C++ 中用陣列儲存，顯然是不太合理的

  • 答: C/C++中用 結構體 的資料格式，表示oc物件。
// 轉成c/c++ 程式碼後，MNPerson 的結構如下

struct NSObject_IMPL {
	Class isa;
};

struct MNPerson_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
	int _age;
	double _height;
	NSString *name;
};
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使用指令 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc oc原始檔 -o 輸出的c++檔案 將 oc 程式碼轉成 c++ 程式碼之後，發現內部確實是結構體


面試題來襲！前方請做好準備！！

  • 一個NSObject 物件，佔用多少記憶體

  • 思路：

      1. 由上面可知，NSObject的本質是結構體，通過NSObject.m 可以發現，NSObject 只有一個 isa 成員，isa 的本質是 class, struct objc_object * 型別，所以應該佔據 8 位元組
    • 2.NSLog(@"%zu",class_getInstanceSize([NSObject class])); 輸出 - size = 8

  • 注意！實際上，

{
    //獲得 - NSObject 一個例項物件的成員變數所佔用的大小 >> 8
    NSLog(@"%zu",class_getInstanceSize([NSObject class]));
    
    NSObject *obj = [[NSObject alloc]init];
    // 獲取 obj 指標，指向的記憶體大小 >> 16
    NSLog(@"%zu",malloc_size((__bridge const void *)obj));
}
複製程式碼
//基於 `objc-class.m` 檔案 750 版本

size_t class_getInstanceSize(Class cls)
{
    if (!cls) return 0;
    return cls->alignedInstanceSize();
}

// Class‘s ivar size rounded up to a pointer-size boundary.
// 點選一下 - 智慧翻譯 ==> （返回類的成員變數所佔據的大小）

uint32_t alignedInstanceSize() 
{
    return word_align(unalignedInstanceSize());
}
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opensource 原始碼

物件建立 - alloc init, 查詢alloc底層實現

size_t instanceSize(size_t extraBytes) {
    size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
    // CF requires all objects be at least 16 bytes.
    if (size < 16) size = 16;
    return size;
}
複製程式碼
  • CoreFoundation 硬性規定，一個物件，至少有 16 位元組
  • 以 NSObject為例，這裡傳入的 size 是 alignedInstanceSize, 而alignedInstanceSize 已經知道 = 8, 8 < 16,retun 16, 最終 NSObject 建立的物件，佔據的記憶體大小是 16

lldb 除錯下，使用 memory read 檢視物件記憶體

(lldb) p obj
(NSObject *) $0 = 0x000060000000eb90
(lldb) memory read 0x000060000000eb90
0x60000000eb90: a8 6e 3a 0b 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
複製程式碼

也能發現，前8 位儲存 isa 指標，後 8 位都是0，但是整個物件還是佔據了 16 個位元組


一個NSObject記憶體分配示意圖

一個NSObject記憶體分配示意圖

總結：

  • 問 ：一個NSObject 物件，佔用多少記憶體?
  • 答 ：
    • 系統在alloc的時候，分配了16個位元組給 NSObject 物件(malloc_size函式獲得)
    • 但是實際上 NSObject 只使用了 8個位元組的儲存空間(64bit系統下)
    • 可以通過class_getInstanceSize()

循序漸進之面試題又來了！！

@interface MNStudent : NSObject
{
    int _age;
    int _no;
}
@end
複製程式碼
  • 問:一個MNStudent 物件，佔用多少記憶體
  • 答:
    • 由上面 NSObject佔據16個位元組可知，base = 16
    • 一個int佔4位元組，age = 4， no = 4
    • 最終結果， 16 + 4 + 4 = 24！

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哈哈！中計了！

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原理解釋：

面試驅動技術之 - isa && 元類 && 函式呼叫

  1. 之前 NSObject 建立一個物件，確實是分配了 16 個位元組的空間
  2. 但是，他還有未使用的空間8個位元組，還是可以儲存的
  3. 這裡的age && no 存進去，正好 16,之前分配的空間正好夠用！所以答案是 16！

循循序漸進之面試題雙來了！！

(大哥別打了，這次保證不挖坑了，別打，疼，別打臉別打臉。。。)

@interface MNPerson : NSObject
{
    int _age;
    int _height;
    NSString *name;
}
複製程式碼
  • 問: 一個MNPerson物件，佔用多少記憶體
  • 答: 這題我真的會了！上面的坑老夫已經知道了！
    • 預設建立的時候，分配的內容是16
    • isa = 8, int age = 4, int height = 4, NSString = char * = 8
    • 最終分配: 8 + 4 + 4 + 8 = 24

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哈哈哈哈！ 又中計了！

面試驅動技術之 - isa && 元類 && 函式呼叫

這時候你肯定好奇了

    uint32_t alignedInstanceSize() {
        return word_align(unalignedInstanceSize());
    }

    
    size_t instanceSize(size_t extraBytes) {
        size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
        // CF requires all objects be at least 16 bytes.
        if (size < 16) size = 16;
        return size;
    }
    
複製程式碼
  • extraBytes 一般都是 0，這裡可以理解為 size = alignedInstanceSize()；
  • alignedInstanceSize = class_getInstanceSize, class_getInstanceSize 由上圖的log資訊也可以知道 = 24
  • 內心os: who tm fucking 32?

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ios記憶體分配原始碼

下載`libmalloc`,找到`calloc`的實現

void *
calloc(size_t num_items, size_t size)
{
	void *retval;
	retval = malloc_zone_calloc(default_zone, num_items, size);
	if (retval == NULL) {
		errno = ENOMEM;
	}
	return retval;
}

發現這個函式，就是我們呼叫的`calloc`函式的底層

void *
malloc_zone_calloc(malloc_zone_t *zone, size_t num_items, size_t size)
{
	MALLOC_TRACE(TRACE_calloc | DBG_FUNC_START, (uintptr_t)zone, num_items, size, 0);

	void *ptr;
	if (malloc_check_start && (malloc_check_counter++ >= malloc_check_start)) {
		internal_check();
	}

	ptr = zone->calloc(zone, num_items, size);
	
	if (malloc_logger) {
		malloc_logger(MALLOC_LOG_TYPE_ALLOCATE | MALLOC_LOG_TYPE_HAS_ZONE | MALLOC_LOG_TYPE_CLEARED, (uintptr_t)zone,
				(uintptr_t)(num_items * size), 0, (uintptr_t)ptr, 0);
	}

	MALLOC_TRACE(TRACE_calloc | DBG_FUNC_END, (uintptr_t)zone, num_items, size, (uintptr_t)ptr);
	return ptr;
}

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內心os: exo me? 這傳入的 size_t size = 24,怎麼返回32的？？

涉及到 - 記憶體對齊

檢索Buckets - (libmalloc 原始碼)

#define NANO_MAX_SIZE			256 
/* Buckets sized {16, 32, 48, ..., 256} */
複製程式碼
  1. 發現，iOS 系統分配的時候，有自己的分配規則, 不是說你需要的size多大，就建立多大
  2. 作業系統內部有自己的一套規則，這裡的都是 16 的倍數，而作業系統在此基礎之上，作業系統的操作訪問最快
  3. 所以，在MNPerson 物件需要 24 的size的時候，作業系統根據他的規則，直接建立了 32 的size的空間，所以這裡的答案是 32！

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補充說明: sizeof 運算子

(lldb) po [obj class]
MNPerson

(lldb) po sizeof(obj)
8

(lldb) po sizeof(int)
4
複製程式碼
  • sizeof是運算子，不是函式，編譯時即知道，不是函式
  • 這裡的 obj 是物件， *obj - 指標指向，編譯器知道他是指標型別，所以 sizeof = 8(指標佔據8個位元組) - 特別注意，這裡傳入的不是物件！是指標
  • sizeof是告訴你傳入的型別，佔多少儲存空間

OC物件的分類

  • 例項物件(instance物件)
  • 類物件(class物件)
  • 元類物件(meta-class物件)

instance 物件

  • 通過類 alloc 出來的物件
  • 每次 alloc 都會產生新的instance 物件(記憶體不相同)
  • instance 物件儲存的資訊
    • isa 指標
    • 其他成員變數

class 物件

  • 是建立物件的藍圖，描述了所建立的物件共同的屬性和方法(made in 維基百科)
  • 類在記憶體中只有一份，每個類在記憶體中都有且只有一個 class 物件
  • class物件在記憶體中儲存的資訊
    • isa 指標
    • superclass 指標
    • 類的物件方法 && 協議
    • 類的屬性 && 成員變數資訊
    • 。。。

meta-class

Class metaClass = object_getClass([NSObject class]);

  • metaclss 是 NSObject的meta-class物件
  • meta-class 在記憶體中只有一份，每個類都有且只有一個 meta-class 物件
  • meta-class 也是類，與class的物件結構一樣，但是內部的資料不一樣(用途不同)
  • meta-clas 包括:
    • isa指標
    • superclass
    • 類方法
    • 。。。

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提問：object_getClass 與 objc_getClass的區別

Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}
複製程式碼
  • object_getClass ： 傳入的是可以是任意物件(id型別)，返回的是類 or 元類
    • 如果傳入 instance 物件，返回 class
    • 如果傳入 class, 返回的是 meta-class 物件
    • 如果傳入的是 meta-class，返回的是 root-meta-class 物件 
Class objc_getClass(const char *aClassName)
{
    if (!aClassName) return Nil;

    // NO unconnected, YES class handler
    return look_up_class(aClassName, NO, YES);
}
複製程式碼
  • 傳入的是類名字串，返回的是該類名對應的類
  • 不能返回元類

指向圖.png

(圖片來自於 www.sealiesoftware.com/blog/archiv…)

看懂這張圖 - 就等價於看懂 isa && superclass了

探究流程：

@interface MNSuperclass : NSObject

- (void)superclassInstanceMethod;
+ (void)superClassMethod;

@end

@implementation MNSuperclass

- (void)superclassInstanceMethod{
    NSLog(@"superclass-InstanceMethod - %p",self);
}

+ (void)superClassMethod{
    NSLog(@"+ superClass-classMethod- %p",self);
}

@end

@interface MNSubclass : MNSuperclass

- (void)subclassInstanceMethod;

@end

@implementation MNSubclass

- (void)subclassInstanceMethod{
    NSLog(@"subclassInstanceMethod- %p",self);
}

@end

複製程式碼

問: 子類呼叫父類的物件方法，執行的流程是如何的？

MNSubclass *subclass = [[MNSubclass alloc]init];
[subclass superclassInstanceMethod];
複製程式碼
  • 思路：
    • subclass 呼叫物件方法，物件方法存在 class 中
    • 第一步，先找到 subclass物件,通過 isa 指標，找到其對應的 MNSubclass 類
    • 看MNSubclass 是否有 superclassInstanceMethod 方法的實現，發現沒有，MNSubclass 沿著 superclass 指標找到他的父類 - MNSuperclass
    • 此時，MNSuperclass 中找到 superclassInstanceMethod 的實現，呼叫它，整個流程結束

面試驅動技術之 - isa && 元類 && 函式呼叫


問: 子類呼叫父類的類方法，執行的流程是如何的？

[MNSubclass superClassMethod];

  • 思路：
    • 類方法存在meta-class中
    • 第一步，找到對應的MNSubclass,沿著isa指標，找到其對應的meta-class
    • 看MNSubclass 的 meta-class 中是否有 superClassMethod 方法的實現，發現沒有，沿著 superclass 指標找到 MNSuperclass 的 meta-class
    • 發現 MNSuperclass 的 meta-class 有superClassMethod 方法實現，呼叫，流程結束

面試驅動技術之 - isa && 元類 && 函式呼叫


圖中比較難理解的一根線

面試驅動技術之 - isa && 元類 && 函式呼叫

探究 : 元類物件的superclass 指標是否指向 rootclass

  • 分析：
    • meta-class 物件儲存的是類方法，class 儲存的是 物件方法
    • 從物件導向的角度來講，一個類呼叫一個類方法，不應該最後呼叫到 物件方法
    • 這裡的Root class 就是 NSObject, 要給 NSObject 新增方法就要用到 分類
    • 驗證 NSObject 的物件方法是否會被呼叫

//"NSObject+MNTest"類的宣告 && 實現

@interface NSObject (MNTest)

+ (void)checkSuperclass;

@end

@implementation NSObject (MNTest)

+ (void)checkSuperclass{
    NSLog(@"+NSObject checkSuperclass - %p",self);
}

@end

//main函式中呼叫
int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool
    {
        [MNSubclass checkSuperclass];
        NSLog(@"MNSubclass = %p",[MNSubclass class]);
    }
    
    return 0;
}

--------------------------------------------------------
控制檯輸出：
+NSObject checkSuperclass - 0x105817040
InterView-obj-isa-class[36303:7016608] MNSubclass = 0x105817040

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  1. 發現，呼叫checkSuperclass 類方法的，是MNSubclass類
  2. 這時候要驗證上面那條 meta-class 指向 root-class的線, 這裡的root-class 即等於 NSObject
  3. root-class中只存物件方法，這裡，只要驗證,NSObject 中同名的類方法實現取消，變成同名的物件方法測試，即可得出結論
  4. 宣告的還是+ (void)checkSuperclass，實現的方法用 - (void)checkSuperclass物件方法替換

@interface NSObject (MNTest)

+ (void)checkSuperclass;

@end

@implementation NSObject (MNTest)

//+ (void)checkSuperclass{
//    NSLog(@"+NSObject checkSuperclass - %p",self);
//}

- (void)checkSuperclass{
    NSLog(@"-NSObject checkSuperclass - %p",self);
}

@end

//main函式中呼叫
int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool
    {
        [MNSubclass checkSuperclass];
        NSLog(@"MNSubclass = %p",[MNSubclass class]);
    }
    
    return 0;
}

--------------------------------------------------------
控制檯輸出：
-NSObject checkSuperclass - 0x101239040
InterView-obj-isa-class[36391:7022301] MNSubclass = 0x101239040

複製程式碼

發現 - 呼叫的還是類方法 + (void)checkSuperclass ，但是最終實現的，卻是物件方法 - (void)checkSuperclass

  • 原因：
    • [MNSubclass checkSuperclass] 其實本質上，呼叫的是傳送訊息方法，函式類似是objc_msgsend([MNSubclass class], @selector(checkSuperclass))
    • 這裡的@selector(checkSuperclass) 並未說明是 類方法 or 物件方法
    • 所以最終走流程圖的話，root-meta-class通過super class找到了root-class (NSObject)，
    • NSObject 類不是元類，儲存的是物件方法，所以 最終呼叫了NSObject -checkSuperclass這個物件方法

image-20190326212536530

叮叮叮！循循循序漸進之面試題叒來了！！

@implementation MNSubclass

- (void)compareSelfWithSuperclass{
    NSLog(@"self class = %@",[self class]);
    NSLog(@"super class = %@",[super class]);
}
@end

----------------------------------------
呼叫:
    MNSubclass *subclass = [[MNSubclass alloc]init];
    [subclass compareSelfWithSuperclass];

複製程式碼

  • 問: [self class] && [super class] 分別輸出什麼

  • 思路：

    • class 方法 是NSObject 的一個物件方法,對方方法存在 class 中
    • 第一步，先找到 subclass物件,通過 isa 指標，找到其對應的 MNSubclass 類
    • 看MNSubclass 是否有 class 方法的實現，發現沒有，MNSubclass 沿著 superclass 指標找到他的父類 - MNSuperclass
    • 查詢MNSuperclass 中是否有 class 方法的實現，發現沒有，MNSuperclass 沿著 superclass 指標找到他的父類 - NSObject
    • 最終在 NSObject 中找到 class 的實現
    • 而呼叫方都是都是當前物件，所以最後輸出都是 - MNSubclass

驗證:

NSLog(@"self class = %@",[self class]);
NSLog(@"super class = %@",[super class]);

----------------------------------------------------------------------
控制檯輸出:
InterView-obj-isa-class[36796:7048007] self class = MNSubclass
InterView-obj-isa-class[36796:7048007] super class = MNSubclass
複製程式碼


感謝小碼哥 的精彩演出，文章中如果有說錯的地方，歡迎提出，一起學習~




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