iOS底层之类和对象的经典面试题分析

类的方法的归属

一、class_getInstanceMethod

看以下代码

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        BKPerson *person = [BKPerson alloc];
        Class pClass     = object_getClass(person);
        logInstanceMethodFromClass(pClass);
    }
    return 0;
}

void logInstanceMethodFromClass(Class pClass){
    
    const char *className = class_getName(pClass);
    Class metaClass = objc_getMetaClass(className);
    
    Method method1 = class_getInstanceMethod(pClass, @selector(sayDad));
    Method method2 = class_getInstanceMethod(metaClass, @selector(sayDad));

    Method method3 = class_getInstanceMethod(pClass, @selector(sayHappy));
    Method method4 = class_getInstanceMethod(metaClass, @selector(sayHappy));
    
    BKLog(@"%s - %p-%p-%p-%p",__func__,method1,method2,method3,method4);
}

可以看出来打印的是什么结果吗？
首先，Class pClass = object_getClass(person);获取到了BKPerson类，传入logInstanceMethodFromClass方法中，
const char *className = class_getName(pClass);这一步获取到BKPerson类的类名的常量字符串“BKPerson”，用以传入Class metaClass = objc_getMetaClass(className);获取到BKPerson类的元类。
它的源码定义是：

Class objc_getMetaClass(const char *aClassName)
{
    Class cls;

    if (!aClassName) return Nil;

    cls = objc_getClass (aClassName);
    if (!cls)
    {
        _objc_inform ("class `%s' not linked into application", aClassName);
        return Nil;
    }

    return cls->ISA();
}

也就是如果aClassName为nil是就返回Nil，否则，objc_getClass获取到当前类放在cls，如果cls是空的话，就返回Nil，否则cls->ISA()返回类对象的isa保存的元类。如果不懂的，可以看下这篇文章iOS底层之类的结构分析对ISA的解释。
这一步相信大部分人都能看出来获取到了元类。

重点在于class_getInstanceMethod这个方法做了什么。
我们先看看这个sayDad、sayHappy方法的定义。

@interface BKPerson : NSObject

- (void)sayDad;
+ (void)sayHappy;

@end

@implementation BKPerson

- (void)sayDad{
    NSLog(@"BKPerson say : Dad~");
}

+ (void)sayHappy{
    NSLog(@"BKPerson say : I'm happy");
}

@end

区别是- (void)sayDad;是一个类的实例方法，+ (void)sayHappy;是类的类方法。
我们再从class_getInstanceMethod的方法的源码看下，这个方法是怎么实现的。

Method class_getInstanceMethod(Class cls, SEL sel)
{
    if (!cls  ||  !sel) return nil;

    // This deliberately avoids +initialize because it historically did so.

    // This implementation is a bit weird because it's the only place that 
    // wants a Method instead of an IMP.

#warning fixme build and search caches
        
    // Search method lists, try method resolver, etc.
    lookUpImpOrForward(nil, sel, cls, LOOKUP_RESOLVER);

#warning fixme build and search caches

    return _class_getMethod(cls, sel);
}

if (!cls || !sel) return nil;如果传入的类或者方法编号为空，则返回nil，显然我们这里不是空的。重点在于这一句return _class_getMethod(cls, sel);，点进入是：

static Method _class_getMethod(Class cls, SEL sel)
{
    mutex_locker_t lock(runtimeLock);
    return getMethod_nolock(cls, sel);
}

static method_t *
getMethod_nolock(Class cls, SEL sel)
{
    method_t *m = nil;

    runtimeLock.assertLocked();

    // fixme nil cls?
    // fixme nil sel?

    ASSERT(cls->isRealized());

    while (cls  &&  ((m = getMethodNoSuper_nolock(cls, sel))) == nil) {
        cls = cls->superclass;
    }

    return m;
}

可以看到重点在于这一行代码while (cls && ((m = getMethodNoSuper_nolock(cls, sel))) == nil) { cls = cls->superclass; }，查看条件语句的方法：

static method_t *
getMethodNoSuper_nolock(Class cls, SEL sel)
{
    runtimeLock.assertLocked();

    ASSERT(cls->isRealized());
    // fixme nil cls? 
    // fixme nil sel?

    auto const methods = cls->data()->methods();
    for (auto mlists = methods.beginLists(),
              end = methods.endLists();
         mlists != end;
         ++mlists)
    {
        // <rdar://problem/46904873> getMethodNoSuper_nolock is the hottest
        // caller of search_method_list, inlining it turns
        // getMethodNoSuper_nolock into a frame-less function and eliminates
        // any store from this codepath.
        method_t *m = search_method_list_inline(*mlists, sel);
        if (m) return m;
    }

    return nil;
}

可以看到条件只要是 类存在 并且 在类的方法列表里没找到这个方法编号时，则会查找其父类的方法列表，循环下去，直到找到时返回方法，或者找不到时返回nil，又或者找到根类NSObject的父类nil,则不满足条件，也返回nil。

而这里我们需明确的一点是类的实例方法是在类的方法列表里，而类对象的方法（类方法）是在元类的方法列表里，所以class_getInstanceMethod方法只能从类的方法列表，或者父类的方法列表里查找，只能找到类的实例方法，而无法查找到类方法。

这时候我们看回这道题。

1.
Method method1 = class_getInstanceMethod(pClass, @selector(sayDad));
  1. 由于sayDad为实例方法，pClass为BKPerson，所以可以找到方法的地址。
2.
Method method2 = class_getInstanceMethod(metaClass, @selector(sayDad));
  1. 由于sayDad为实例方法，metaClass为BKPerson的元类，所以无法在元类里找到实例方法的地址。地址为空。
3.
 Method method3 = class_getInstanceMethod(pClass, @selector(sayHappy));
  1. 由于sayHappy为类方法，pClass为BKPerson，所以无法在类里找到类方法的地址。地址为空
4.
Method method4 = class_getInstanceMethod(metaClass, @selector(sayHappy));
  1. 由于sayHappy为类方法，metaClass为BKPerson的元类，所以在元类里可以找到类方法的地址。

打印这4个方法的地址

0x1000031b0-0x0-0x0-0x100003148

二、class_getClassMethod

void logClassMethodFromClass(Class pClass){
    
    const char *className = class_getName(pClass);
    Class metaClass = objc_getMetaClass(className);
    
    Method method1 = class_getClassMethod(pClass, @selector(sayDad));
    Method method2 = class_getClassMethod(metaClass, @selector(sayDad));

    Method method3 = class_getClassMethod(pClass, @selector(sayHappy));
    // 元类 为什么有 sayHappy 类方法 0 1
    //
    Method method4 = class_getClassMethod(metaClass, @selector(sayHappy));
    
    BKLog(@"%s-%p-%p-%p-%p",__func__,method1,method2,method3,method4);
}

如果是执行以上代码，那么打印的结果是什么呢？

我们来看class_getClassMethod的定义

Method class_getClassMethod(Class cls, SEL sel)
{
    if (!cls  ||  !sel) return nil;

    return class_getInstanceMethod(cls->getMeta(), sel);
}

上个题目我们分析了class_getInstanceMethod，那么重点在于cls->getMeta()做了什么事。
查看源码

Class getMeta() {
        if (isMetaClass()) return (Class)this;
        else return this->ISA();
    }

可以看到当这个类是元类时，则返回自己，否则返回类的isa指向的元类。
对返回的元类使用class_getInstanceMethod查找类的实例方法列表，而我们知道类的类方法是在其元类的实例方法列表里。说明class_getClassMethod，只要传入的参数是BKPerson的元类，和BKPerson的类方法时，才能找到方法地址。

看回上面的题可知

1.
Method method1 = class_getClassMethod(pClass, @selector(sayDad));
  1. pClass是BKPerson类，getMeta返回的是BKPerson类的元类。 sayDad是BKPerson的实例方法，所以在BKPerson的元类方法列表里是找不到BKPerson的实例方法的，返回方法地址为空。
2.
Method method2 = class_getClassMethod(metaClass, @selector(sayDad));
  1. metaClass是BKPerson的元类，getMeta返回的是自己， sayDad是BKPerson的实例方法，所以在元类metaClass的实例方法列表里是找不到BKPerson的实例方法的，返回方法地址为空。
3.
Method method3 = class_getClassMethod(pClass, @selector(sayHappy));
  1. pClass是BKPerson类，getMeta返回的是BKPerson类的元类。 sayHappy是BKPerson的类方法，存储在其元类的实例方法列表中，所以可以找到方法的地址。
4.
Method method4 = class_getClassMethod(metaClass, @selector(sayHappy));
  1. metaClass是BKPerson类的元类，getMeta返回的是自己。 sayHappy是元类的实例方法，可以找到方法地址。

打印结果为：

0x0-0x0-0x100003148-0x100003148

三、class_getMethodImplementation

执行以下代码

void logClass_IMPFromClass(Class pClass){
    
    const char *className = class_getName(pClass);
    Class metaClass = objc_getMetaClass(className);

    // - (void)sayDad;
    // + (void)sayHappy;
    IMP imp1 = class_getMethodImplementation(pClass, @selector(sayDad));
    IMP imp2 = class_getMethodImplementation(metaClass, @selector(sayDad));

    IMP imp3 = class_getMethodImplementation(pClass, @selector(sayHappy));
    IMP imp4 = class_getMethodImplementation(metaClass, @selector(sayHappy));

    NSLog(@"%p-%p-%p-%p",imp1,imp2,imp3,imp4);
    NSLog(@"%s",__func__);
}

那么打印结果又是如何？

class_getMethodImplementation这个方法在苹果文档里是这样的

class_getMethodImplementation

大概意思为class_getMethodImplementation可能比method_getImplementation(class_getInstanceMethod(cls, name))快。

返回的函数指针可以是运行时内部的函数，而不是实际的方法实现。例如，如果类的实例不响应选择器，则返回的函数指针将成为运行时消息转发机制的一部分。

查看class_getMethodImplementation源码

IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL sel)
{
    IMP imp;

    if (!cls  ||  !sel) return nil;

    imp = lookUpImpOrNil(nil, sel, cls, LOOKUP_INITIALIZE | LOOKUP_RESOLVER);

    // Translate forwarding function to C-callable external version
    if (!imp) {
        return _objc_msgForward;
    }

    return imp;
}

如果查找函数的实现地址没有找到，则会通过消息转发机制返回函数指针。
那么上面的题目可以解答：

1.
IMP imp1 = class_getMethodImplementation(pClass, @selector(sayDad));
  1. pClass为BKPerson，sayDad为其实例方法，所以可以找到其方法实现，直接返回函数指针地址。
2.
IMP imp2 = class_getMethodImplementation(metaClass, @selector(sayDad));
  1. metaClass为BKPerson的元类，sayDad为BKPerson的实例方法，所以无法在元类中找到其方法实现，通过消息转发返回。
3.
IMP imp3 = class_getMethodImplementation(pClass, @selector(sayHappy));
  1. pClass为BKPerson，sayHappy为其类方法，存储在其元类的实例方法列表中。所以无法在BKPerson方法列表找到其实现，通过消息转发返回。
4.
IMP imp4 = class_getMethodImplementation(metaClass, @selector(sayHappy));
  1. metaClass为BKPerson的元类，sayHappy为BKPerson的元类的实例方法，所以可以在元类的方法列表中找到其方法实现，直接返回函数指针地址。
    所以打印结果为：
0x100001d10-0x7fff66fe8580-0x7fff66fe8580-0x100001d40

通过上面获取方法地址的3个函数，可以得出总结：

  1. class_getInstanceMethod方法只能从类的方法列表，或者父类的方法列表里查找到，只可能找到当前类的实例方法，而无法查找到类方法。
  2. class_getClassMethod方法只能从当前类的元类的方法列表中查找类方法，而无法找到当前类的实例方法。
  3. class_getMethodImplementation方法查找函数的实现地址，如果没有找到，则会通过消息转发机制返回。

类和对象的归属：iskindOfClass & isMemberOfClass

BOOL cls1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];       //
BOOL cls2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];     //
BOOL cls3 = [(id)[BKPerson class] isKindOfClass:[BKPerson class]];       //
BOOL cls4 = [(id)[BKPerson class] isMemberOfClass:[BKPerson class]];     //
NSLog(@"\n cls1 :%hhd\n cls2 :%hhd\n cls3 :%hhd\n cls4 :%hhd\n",cls1,cls2,cls3,cls4);

BOOL obj1 = [(id)[NSObject alloc] isKindOfClass:[NSObject class]];       //
BOOL obj2 = [(id)[NSObject alloc] isMemberOfClass:[NSObject class]];     //
BOOL obj3 = [(id)[BKPerson alloc] isKindOfClass:[BKPerson class]];       //
BOOL obj4 = [(id)[BKPerson alloc] isMemberOfClass:[BKPerson class]];     //
NSLog(@"\n obj1 :%hhd\n obj2 :%hhd\n obj3 :%hhd\n obj4 :%hhd\n",obj1,obj2,obj3,obj4);

比较上面的方法，得出打印的信息。

首先可以发现，上面4个方法是类方法，下面4个方法是实例方法。

从源码出发

  1. + (BOOL)isKindOfClass
+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = self->ISA(); tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

可以看出，这个for循环语句里，逻辑是这样的：
Class tcls = self->ISA()获取当前类的isa指向的元类，赋值到tcls;
tcls不为空时，如果tcls == cls为true，返回YES，否则判断tcls的父类是否等于cls，等于返回YES，不等于则继续判断其父类直到根类NSObject，再到nil时则不满足循环条件，返回NO。

父类的继承关系是：父类->根类NSObject->nil。

所以，只要self的元类(或其self的元类的父类)，等于cls则为真，否则为假。

对比顺序是：当前类的元类->当前类的元类的父类->NSObject->nil == 传入类？

  1. + (BOOL)isMemberOfClass
+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return self->ISA() == cls;
}

只有self当前类的元类是cls，则为真，否则为假。

对比顺序是：当前类的元类 == 传入类？

  1. - (BOOL)isKindOfClass
- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

这个for循环语句里，逻辑是这样的：
Class tcls = [self class]获取当前对象的类tcls；
如果类tcls为nil，则返回NO;
如果类不为nil，当类tcls等于cls类，返回YES，否则，将tcls的父类赋值给tcls，重新执行以上逻辑。
所以，只要self当前对象的类(或其父类)是cls类，则为真，否则为假。

对比顺序是：当前对象的类->父类->根类NSObject->nil == 传入类？

  1. - (BOOL)isMemberOfClass
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return [self class] == cls;
}

只有self当前对象的类是cls，则为真，否则为假。

对比顺序是：当前对象的类 == 传入类？

而+ (Class)class和- (Class)class也是由区别的

+ (Class)class {
    return self;
}

- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}

要注意+ (Class)class返回的是自身。- (Class)class返回的是当前对象的类。

回到题干

  1. 类的对比为
BOOL cls1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];       //

左边：NSObject的元类是根元类NSObject，根元类NSObject的父类是NSObject；
右边：NSObject自身；
所以结果为1。

BOOL cls2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];     //

左边：NSObject的元类是根元类NSObject；
右边： NSObject自身；
结果为0。

BOOL cls3 = [(id)[BKPerson class] isKindOfClass:[BKPerson class]];       //

左边：BKPerson的元类是元类BKPerson，元类BKPerson的父类是根元类NSObject，根元类NSObject的父类是NSObject，NSObject的父类是nil；
右边： BKPerson自身；
都不等于，结果为0。

BOOL cls4 = [(id)[BKPerson class] isMemberOfClass:[BKPerson class]];     //

左边：BKPerson的元类是元类BKPerson；
右边： BKPerson自身；
不等于，结果为0。

NSLog(@"\n cls1 :%hhd\n cls2 :%hhd\n cls3 :%hhd\n cls4 :%hhd\n",cls1,cls2,cls3,cls4);
打印结果为
 cls1 :1
 cls2 :0
 cls3 :0
 cls4 :0
  1. 而对象的对比为
BOOL obj1 = [(id)[NSObject alloc] isKindOfClass:[NSObject class]];       //

左边：NSObject对象的类是NSObject；
右边： NSObject自身；
等于，结果为1。

BOOL obj2 = [(id)[NSObject alloc] isMemberOfClass:[NSObject class]];     //

左边：NSObject对象的类是NSObject；
右边： NSObject自身；
等于，结果为1。

BOOL obj3 = [(id)[BKPerson alloc] isKindOfClass:[BKPerson class]];       //

左边：BKPerson对象的类是BKPerson；BKPerson类的父类是NSObject，NSObject的父类是nil；
右边： BKPerson自身；
等于，结果为1。

BOOL obj4 = [(id)[BKPerson alloc] isMemberOfClass:[BKPerson class]];

左边：BKPerson对象的类是BKPerson；
右边： BKPerson自身；
等于，结果为1。

NSLog(@"\n obj1 :%hhd\n obj2 :%hhd\n obj3 :%hhd\n obj4 :%hhd\n",obj1,obj2,obj3,obj4);
打印结果为
 obj1 :1
 obj2 :1
 obj3 :1
 obj4 :1

然而，我们看源码以为代码执行过程真的是按照以上的方法执行的，这却是一个很大的坑点。虽然最后的结果是正确的。但是通过跟进程序的执行，可以发现，无论- (BOOL)isKindOfClass还是+ (BOOL)isKindOfClass都不是走上面的方法。而是执行下面的

// Calls [obj isKindOfClass]
BOOL
objc_opt_isKindOfClass(id obj, Class otherClass)
{
#if __OBJC2__
    if (slowpath(!obj)) return NO;
    Class cls = obj->getIsa();
    if (fastpath(!cls->hasCustomCore())) {
        for (Class tcls = cls; tcls; tcls = tcls->superclass) {
            if (tcls == otherClass) return YES;
        }
        return NO;
    }
#endif
    return ((BOOL(*)(id, SEL, Class))objc_msgSend)(obj, @selector(isKindOfClass:), otherClass);
}

主要也是执行for循环里的语句，如果传入的obj是类的实例对象，则对比类（或父类、NSObject、nil）与传入的类是否一致，如果传入的obj是类，则获取到返回类的元类（或者元类的父类、根元类NSObject、或NSObject、或nil）。

为什么会走这个方法呢？而不走isKindOfClass？
原因是编译器优化了执行的效率。

以上，如有疑虑或欠妥之处，欢迎指出！

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