IOS 底層原理 類的本質--(2)

底層原理 類的本質

複習一下IOS 底層原理 物件的本質--(1)，可以看出來例項物件實際是上結構體，那麼這個結構體是有類指標和成員變數組成的。

//Person
@interface Person : NSObject
{
	@public
	int _age;//4bytes
	int _level;//4bytes
	int _code;//4bytes
}
@end
@implementation Person
@end
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經過xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main64.cpp編譯之後其實Person物件是:

struct Person_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
	int _age;
	int _level;
	int _code;
};
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NSObject_IMPL結構體：

struct NSObject_IMPL {
	Class isa;
};
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那麼NSObject在記憶體中包括

• isa指標
• 其他成員變數

isa地址就是instance的地址，其他成員變數排在後邊，也就是instance的地址就是isa的地址。

那麼這個isa指向的到底是什麼呢？ 請往下繼續看： 先看下這段程式碼：

NSObject *ob1=[[NSObject alloc]init];
NSObject *ob2=[[NSObject alloc]init];

Class cl1 = object_getClass([ob1 class]);
Class cl2 = object_getClass([ob2 class]);

Class cl3 = ob1.class;
Class cl4 = ob2.class;

Class cl5 = NSObject.class;

NSLog(@" %p %p %p %p %p",cl1,cl2,cl3,cl4,cl5);
//0x7fff8e3ba0f0 0x7fff8e3ba0f0 
//0x7fff8e3ba140 0x7fff8e3ba140 0x7fff8e3ba140
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這程式碼是輸出了幾個NSObject的物件的類和NSObject的類物件的地址，可以看到cl1==cl2、cl3==cl4==cl5。

Class的本質

我們知道不管是類物件還是元類物件，型別都是Class，class和mete-class的底層都是objc_class結構體的指標，記憶體中就是結構體。

Class objectClass = [NSObject class];        
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);

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點選class來到內部，可以發現

typedef struct objc_class *Class;
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class物件其實是指向objc_class的結構體，因此我們可以說類物件或元類物件在記憶體中其實就是objc_class結構體。

來到objc_class內部，在原始碼中經常看到這段原始碼

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;//isa

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                    //父類          OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                              //obj名字 OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                            //版本 OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                               //info OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                      // OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars             //成員變數連結串列     OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;//方法連結串列
    struct objc_cache * _Nonnull cache      //快取連結串列                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols         //協議連結串列 OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */
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這段程式碼明顯是 已經OBJC2_UNAVAILABLE，說明程式碼已經不在使用了。那麼objc_class結構體內部結構到底是什麼呢？通過objc搜尋runtime的內容可以看到objc_class內部

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

    void setInfo(uint32_t set) {
        assert(isFuture()  ||  isRealized());
        data()->setFlags(set);
    }

    void clearInfo(uint32_t clear) {
        assert(isFuture()  ||  isRealized());
        data()->clearFlags(clear);
    }
    //**後邊省略
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我們發現這個結構體繼承 objc_object 並且結構體內有一些函式，因為這是c++結構體，在c上做了擴充套件，因此結構體中可以包含函式。我們來到objc_object內，擷取部分程式碼

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:

    // ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
    Class ISA();

    // getIsa() allows this to be a tagged pointer object
    Class getIsa();

    // initIsa() should be used to init the isa of new objects only.
    // If this object already has an isa, use changeIsa() for correctness.
    // initInstanceIsa(): objects with no custom RR/AWZ
    // initClassIsa(): class objects
    // initProtocolIsa(): protocol objects
    // initIsa(): other objects
    void initIsa(Class cls /*nonpointer=false*/);
    void initClassIsa(Class cls /*nonpointer=maybe*/);
    void initProtocolIsa(Class cls /*nonpointer=maybe*/);
    void initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor);
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那麼我們之前瞭解到的，類中儲存的類的成員變數資訊，方法列表，協議列表，擷取class_rw_t內部實現程式碼

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;//方法列表
    property_array_t properties;//屬性列表
    protocol_array_t protocols;//協議列表

    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;
**
//後邊省略
}
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而class_rw_t是通過bits.data()獲取的，擷取bits.data()檢視內部實現,而僅僅是bits&FAST_DATA_MASK。

    class_rw_t* data() {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
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而成員變數則是儲存在class_ro_t內部中的，我們來到class_ro_t內部檢視：

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;//方法列表
    protocol_list_t * baseProtocols;//協議列表
    const ivar_list_t * ivars;//成員變數列表

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;//屬性列表

    method_list_t *baseMethods() const {
        return baseMethodList;
    }
};
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最後通過一張圖總結一下：

那麼我們來證明一下： 我們可以自定義一下一個和系統一樣的結構體，那麼我們當我們強制轉化的時候，他們賦值會一一對應，此時我們就可以拿到結構體的內部的值。 下邊程式碼是我們自定義的值：

//
//  Header.h
//  day02-類的本質1
//
//  Created by Charlie on 2019/7/2.
//  Copyright © 2019 www.fgyong.cn. All rights reserved.
//

#ifndef Header_h
#define Header_h

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
# endif

#if __LP64__
typedef uint32_t mask_t;
#else
typedef uint16_t mask_t;
#endif
typedef uintptr_t cache_key_t;

struct bucket_t {
	cache_key_t _key;
	IMP _imp;
};

struct cache_t {
	bucket_t *_buckets;
	mask_t _mask;
	mask_t _occupied;
};

struct entsize_list_tt {
	uint32_t entsizeAndFlags;
	uint32_t count;
};

struct method_t {
	SEL name;
	const char *types;
	IMP imp;
};

struct method_list_t : entsize_list_tt {
	method_t first;
};

struct ivar_t {
	int32_t *offset;
	const char *name;
	const char *type;
	uint32_t alignment_raw;
	uint32_t size;
};

struct ivar_list_t : entsize_list_tt {
	ivar_t first;
};

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

struct property_list_t : entsize_list_tt {
	property_t first;
};

struct chained_property_list {
	chained_property_list *next;
	uint32_t count;
	property_t list[0];
};

typedef uintptr_t protocol_ref_t;
struct protocol_list_t {
	uintptr_t count;
	protocol_ref_t list[0];
};

struct class_ro_t {
	uint32_t flags;
	uint32_t instanceStart;
	uint32_t instanceSize;  // instance物件佔用的記憶體空間
#ifdef __LP64__
	uint32_t reserved;
#endif
	const uint8_t * ivarLayout;
	const char * name;  // 類名
	method_list_t * baseMethodList;
	protocol_list_t * baseProtocols;
	const ivar_list_t * ivars;  // 成員變數列表
	const uint8_t * weakIvarLayout;
	property_list_t *baseProperties;
};

struct class_rw_t {
	uint32_t flags;
	uint32_t version;
	const class_ro_t *ro;
	method_list_t * methods;    // 方法列表
	property_list_t *properties;    // 屬性列表
	const protocol_list_t * protocols;  // 協議列表
	Class firstSubclass;
	Class nextSiblingClass;
	char *demangledName;
};

#define FAST_DATA_MASK          0x00007ffffffffff8UL
struct class_data_bits_t {
	uintptr_t bits;
public:
	class_rw_t* data() { // 提供data()方法進行 & FAST_DATA_MASK 操作
		return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
	}
};

/* OC物件 */
struct xx_objc_object {
	void *isa;
};

/* 類物件 */
struct fy_objc_class : xx_objc_object {
	Class superclass;
	cache_t cache;
	class_data_bits_t bits;
public:
	class_rw_t* data() {
		return bits.data();
	}
	
	fy_objc_class* metaClass() { // 提供metaClass函式，獲取元類物件
		// 上一篇我們講解過，isa指標需要經過一次 & ISA_MASK操作之後才得到真正的地址
		return (fy_objc_class *)((long long)isa & ISA_MASK);
	}
};
#endif /* Header_h */

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這段程式碼親測可用，直接複製自己新建.h檔案匯入'main.m'即可，將main.m改成main.mm或者將其他某一個.m改成.mm執行就可以執行了。

那麼我們再拿出來經典的那張圖挨著分析isa 和superclass的指向

instance 物件驗證

使用 p/x輸出obj16進位制的地址，然後isa指標需要經過一次 & ISA_MASK操作之後才得到真正的地址。實施之後：

//object

Printing description of student:
<Student: 0x1021729c0>
(lldb) p/x object->isa //檢視isa指標地址
(Class) $0 = 0x001dffff8e3ba141 NSObject 
(lldb) p/x objectClass//輸出 objectClass的地址
(fy_objc_class *) $1 = 0x00007fff8e3ba140
(lldb) p/x 0x001dffff8e3ba141&0x00007ffffffffff8//計算得出object->isa真正的地址
(long) $2 = 0x00007fff8e3ba140 //0x00007fff8e3ba140是 objectClass地址和object->isa地址一樣


//person

Printing description of person: <Person: 0x102175300>
(lldb) p/x person->isa
(Class) $3 = 0x001d800100002469 Person
(lldb) p/x 0x001d800100002469&0x00007ffffffffff8
(long) $4 = 0x0000000100002468
(lldb) p/x personClass
(fy_objc_class *) $5 = 0x0000000100002468//isa 和personclass地址都是0x0000000100002468

//student

(lldb) p/x student->isa
(Class) $6 = 0x001d8001000024b9 Student
(lldb) p/x 0x001d8001000024b9&0x00007ffffffffff8
(long) $7 = 0x00000001000024b8
(lldb) p/x studentClass
(fy_objc_class *) $8 = 0x00000001000024b8//studentclass 和isa地址都是0x00000001000024b8
(lldb) 
複製程式碼

從面的輸出結果中我們可以發現instance物件中確實儲存了isa指標和其成員變數，同時將instance物件的isa指標經過&運算之後計算出的地址確實是其相應類物件的記憶體地址。由此我們證明isa，superclass指向圖中的1，2，3號線。

class 物件驗證

接著我們來看class物件，同樣通過上一篇文章，我們明確class物件中儲存著isa指標，superclass指標，以及類的屬性資訊，類的成員變數資訊，類的物件方法，和類的協議資訊，而通過上面對object原始碼的分析，我們知道這些資訊儲存在class物件的class_rw_t中，我們通過強制轉化來窺探其中的內容

//objectClass and objectMetaClass

(lldb) p/x objectClass->isa
(__NSAtom *) $6 = 0x001dffff8e3ba0f1
(lldb) p/x 0x001dffff8e3ba0f1&0x00007ffffffffff8
(long) $7 = 0x00007fff8e3ba0f0
(lldb) p/x objectMetaClass
(fy_objc_class *) $8 = 0x00007fff8e3ba0f0

//personClass and personMetaClass

(lldb) p/x personClass->isa
(__NSAtom *) $9 = 0x001d800100002441
(lldb) p/x personMetaClass
(fy_objc_class *) $10 = 0x0000000100002440
(lldb) p/x 0x001d800100002441&0x00007ffffffffff8
(long) $11 = 0x0000000100002440

//sutdentClass and studentMetaClass

(lldb) p/x studentClass->isa
(__NSAtom *) $12 = 0x001d800100002491
(lldb) p/x 0x001d800100002491&0x00007ffffffffff8
(long) $13 = 0x0000000100002490
(lldb) p/x studentMetaClass
(fy_objc_class *) $14 = 0x0000000100002490

複製程式碼

有此結果得知objectMetaClass==objectClass->isa==0x00007fff8e3ba0f0,personClass->isa==personMetaClass==0x0000000100002440,studentClass->isa==studentMetaClass==0x0000000100002490。 由此我們證明isa，superclass指向圖中，isa指標的4，5，6號線，以及superclass指標的7,8,9號線。

meta-class物件驗證

最後我們來看meta-class元類物件，上文提到meta-class中儲存著isa指標，superclass指標，以及類的類方法資訊。同時我們知道meta-class元類物件與class類物件，具有相同的結構，只不過儲存的資訊不同，並且元類物件的isa指標指向基類的元類物件，基類的元類物件的isa指標指向自己。元類物件的superclass指標指向其父類的元類物件，基類的元類物件的superclass指標指向其類物件。 與class物件相同，我們同樣通過模擬對person元類物件呼叫.data函式，即對bits進行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)運算，並轉化為class_rw_t。

// objectMetaClass->superclass = 0x00007fff8e3ba140  NSObject
//objectMetaClass->isa =   0x00007fff8e3ba0f0
//objectMetaClass = 0x00007fff8e3ba0f0

(lldb) p/x objectMetaClass->superclass
(Class) $20 = 0x00007fff8e3ba140 NSObject
(lldb) p/x objectMetaClass->isa
(__NSAtom *) $21 = 0x001dffff8e3ba0f1
(lldb) p/x 0x001dffff8e3ba0f1&0x00007ffffffffff8
(long) $22 = 0x00007fff8e3ba0f0
(lldb) p/x objectMetaClass
(fy_objc_class *) $23 = 0x00007fff8e3ba0f0

// personMetaClass->superclas=0x00007fff8e3ba0f0
//personMetaClass->isa=0x00007fff8e3ba0f0
//personMetaClass = 0x0000000100002440

(lldb) p/x personMetaClass->superclass
(Class) $25 = 0x00007fff8e3ba0f0
(lldb) p/x personMetaClass->isa
(__NSAtom *) $26 = 0x001dffff8e3ba0f1
(lldb) p/x personMetaClass
(fy_objc_class *) $30 = 0x0000000100002440

// studentMetaClass->superclas=0x0000000100002440
//studentMetaClass->isa=0x00007fff8e3ba0f0


(lldb) p/x studentMetaClass->superclass
(Class) $27 = 0x0000000100002440
(lldb) p/x studentMetaClass->isa
(__NSAtom *) $28 = 0x001dffff8e3ba0f1
(lldb) p/x 0x001dffff8e3ba0f1 & 0x00007ffffffffff8
(long) $29 = 0x00007fff8e3ba0f0
複製程式碼

有上面可以看出，studentMetaClass->isa,personMetaClass->isa,objectMetaClass->isa結果mask之後都是0x00007fff8e3ba0f0，與p/x objectMetaClass結果一致，則驗證了13，14，15號線，studentMetaClass->superclass =0x0000000100002440,personMetaClass = 0x0000000100002440驗證12號線，personMetaClass->isa=0x00007fff8e3ba0f0和objectMetaClass = 0x00007fff8e3ba0f0驗證了11號線，objectMetaClass->superclass = 0x00007fff8e3ba140 NSObject驗證10號線。

總結：

物件的isa指向哪裡？

• instance物件的isa指向class物件
• class物件的isa指向meta-class物件
• meta-class物件的isa指向基類的meta-class物件
• class和meta-class的記憶體結構一樣的，只是值不一樣

OC的類資訊存放在哪裡？

• 物件方法、屬性、成員變數、協議資訊存放在class物件中
• 類方法存放在meta-class物件中
• 成員變數具體值存放在instance物件中

資料下載

• 學習資料下載
• demo code

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最怕一生碌碌無為，還安慰自己平凡可貴。

本文章之所以圖片比較少，我覺得還是跟著程式碼敲一遍，印象比較深刻。