iOS底层探索：经典面试题案例分析

面试题一： 元类 中为什么会有 类对象 的 类方法？

在中的探索中，我们知道了实例方法 存储在类中，类方法存储在元类中

为了探索我们的面试题现象，定义了以下几个方法，来探索方法的归属问题
首先定义一个Person类，如下代码：

@interface Person : NSObject
- (void)sayHello;
+ (void)sayHappy;

@end

@implementation Person

- (void)sayHello{
    NSLog(@"Person say : Hello!!!");
}

+ (void)sayHappy{
    NSLog(@"Person say : Happy!!!");
}

@end

然后在main函数调用一些自定义方法：

//lgInstanceMethod_classToMetaclass 函数：用于获取类的实例方法
void lgInstanceMethod_classToMetaclass(Class pClass){
    
    const char *className = class_getName(pClass);
    Class metaClass = objc_getMetaClass(className);
    
    Method method1 = class_getInstanceMethod(pClass, @selector(sayHello));
    Method method2 = class_getInstanceMethod(metaClass, @selector(sayHello));

    Method method3 = class_getInstanceMethod(pClass, @selector(sayHappy));
    Method method4 = class_getInstanceMethod(metaClass, @selector(sayHappy));
    
    LGLog(@"%s - %p-%p-%p-%p",__func__,method1,method2,method3,method4);
}
//lgInstanceMethod_classToMetaclass 函数：用于获取类的类方法
void lgClassMethod_classToMetaclass(Class pClass){
    
    const char *className = class_getName(pClass);
    Class metaClass = objc_getMetaClass(className);
    
    Method method1 = class_getClassMethod(pClass, @selector(sayHello));
    Method method2 = class_getClassMethod(metaClass, @selector(sayHello));
    // - (void)sayHello;
    // + (void)sayHappy;
    Method method3 = class_getClassMethod(pClass, @selector(sayHappy));

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

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

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

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

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

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person = [Person alloc];
        Class pClass     = object_getClass(person);
        lgInstanceMethod_classToMetaclass(pClass);
        lgClassMethod_classToMetaclass(pClass);
        lgIMP_classToMetaclass(pClass);
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

打印结果如下：

lgInstanceMethod_classToMetaclass - 0x1000031b0-0x0-0x0-0x100003148
lgClassMethod_classToMetaclass-0x0-0x0-0x100003148-0x100003148
0x100001d10-0x7fff6ee48580-0x7fff6ee48580-0x100001d40

lgInstanceMethod_classToMetaclass函数 分析

在分析前，需要先了解class_getInstanceMethod这个方法，主要是用于获取实例方法，针对该方法，苹果有如下说明

image.png

其大致含义就是：如果在传入的类或者类的父类中没有找到指定的实例方法，则返回NULL

从上面代码可知，传入的pclass 是类LGPerson，通过objc_getMetaClass获取的LGPerson的元类 是元类LGPerson，函数中4个打印结果分别是：

  • method1 地址：0x1000031b0

    • 传入的pClass是LGPerson类，需要去获取selName = sayHello的实例方法，首先在LGPerson中查找，有前面的LGPerson类可知，是有这个实例方法的，所以会返回查找到的实例方法，所以method1的地址不为0x0

  • method2 地址：0x0

    • 传入的pClass是LGPerson元类，需要去获取selName = sayHello的实例方法，其查找的顺序为元类 --> 根元类 --> 根类 --> nil，直到最后也没有找到,所以class_getInstanceMethod返回NULL，其method2的地址为0x0，表示未找到

  • method3 地址：0x0

    • 传入的pClass是LGPerson类，需要去获取selName = sayHappy的实例方法，查找顺序为LGPerson类 --> 根类 --> nil,也没有找到sayhello实例方法，返回NULL，所以method3的地址为0x0，表示未找到

  • method4 地址：0x100003148

    • 传入的pClass是LGPerson元类，需要去获取selName = sayHappy的实例方法，首先在LGPerson元类中查找,发现有sayHappy的实例方法，主要是因为类对象的类方法存储在元类中，类方法在元类中是实例方法，然后返回查找到的实例方法，所以method3的地址为0x100003148，表示找到了指定的实例方法

总结：
实例方法存在类中、类方法存在元类中
实例方法就是类的实例方法
类方法就是元类的实例方法

lgClassMethod_classToMetaclass函数 分析

在分析前，需要先了解class_getClassMethod这个方法，主要是用于获取实例方法，针对该方法，苹果有如下说明

image.png

一个指向方法数据结构的指针，它对应于为类指定的类指定的类方法的实现，如果 指定的类或它的父类不包含具有指定的类方法，则为NULL。

/***********************************************************************
* class_getClassMethod.  Return the class method for the specified
* class and selector.
**********************************************************************/
Method class_getClassMethod(Class cls, SEL sel)
{
    if (!cls  ||  !sel) return nil;
    //发现个有意思的点，这个返回的是元类的实例方法
    return class_getInstanceMethod(cls->getMeta(), sel);
}

// NOT identical to this->ISA when this is a metaclass
//判断isMetaClass是否为元类，如果是元类就返回cls本类，如果不是， 返回本类的isa 。防止递归
Class getMeta() {
    if (isMetaClass()) return (Class)this;
       else return this->ISA();
}

通过看源码实现，我们发现class_getClassMethod方法当传入的是类时返回的是元类的实例方法，如果传入的是元类时就返回元类本身的实例方法。

所以我们不难分析出
sayHello是实例方法存在类中，而通过上面的总结知当传入的是类时返回的是元类的实例方法，传入的是元类时就返回元类本身的实例方法，所以method1和method2都是0x0。都不存在这个实例方法。

sayHappy是类方法存在元类中，而通过上面的总结知当传入的是类时返回的是元类的实例方法，传入的是元类时就返回元类本身的实例方法，所以method3和method4都是0x100003148。都存在这个类方法。

此时我们就知道了元类 中为什么会有 类对象 的 类方法？

由于元类获取类方法的时候返回的是元类本身的实例方法，而类方法就是元类中的实例方法。

lgIMP_classToMetaclass函数 分析
class_getMethodImplementation主要是返回方法的具体实现，针对这个方法有如下官方说明

image.png

该函数在向类实例发送消息时会被调用，并返回一个指向方法实现函数的指针。这个函数会比method_getImplementation(class_getInstanceMethod(cls, name))更快。返回的函数指针可能是一个指向runtime内部的函数，而不一定是方法的实际实现。如果类实例无法响应selector，则返回的函数指针将是运行时消息转发机制的一部分.

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

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

    //查找方法实现
    imp = lookUpImpOrNil(nil, sel, cls, LOOKUP_INITIALIZE | LOOKUP_RESOLVER);

    //如果没有找到，则进行消息转发
    if (!imp) {
        return _objc_msgForward;
    }

    return imp;
}

lookUpImpOrNil(id obj, SEL sel, Class cls, int behavior = 0)
{
    return lookUpImpOrForward(obj, sel, cls, behavior | LOOKUP_CACHE | LOOKUP_NIL);
}

根据这个分析。不管在类中有没有实现都会返回值，所以都会返回一个地址指针回来。

面试题二：iskindOfClass & isMemberOfClass 的理解

有这么几行关于iskindOfClass & isMemberOfClass的代码，分析出最终结果

//-----使用 iskindOfClass & isMemberOfClass 类方法
BOOL re1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];       //
BOOL re2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];     //
BOOL re3 = [(id)[LGPerson class] isKindOfClass:[LGPerson class]];       //
BOOL re4 = [(id)[LGPerson class] isMemberOfClass:[LGPerson class]];     //
NSLog(@" re1 :%hhd\n re2 :%hhd\n re3 :%hhd\n re4 :%hhd\n",re1,re2,re3,re4);

//------iskindOfClass & isMemberOfClass 实例方法
BOOL re5 = [(id)[NSObject alloc] isKindOfClass:[NSObject class]];       //
BOOL re6 = [(id)[NSObject alloc] isMemberOfClass:[NSObject class]];     //
BOOL re7 = [(id)[LGPerson alloc] isKindOfClass:[LGPerson class]];       //
BOOL re8 = [(id)[LGPerson alloc] isMemberOfClass:[LGPerson class]];     //
NSLog(@" re5 :%hhd\n re6 :%hhd\n re7 :%hhd\n re8 :%hhd\n",re5,re6,re7,re8);

其最终结果打印如下

image.png

源码解析

先分析结果之前，首先需要分析下这两个方法的源码

  • isKindOfClass 源码解析（实例方法 & 类方法）
//--isKindOfClass---类方法、对象方法
//+ isKindOfClass：第一次比较是 获取类的元类 与 传入类对比，再次之后的对比是获取上次结果的父类 与 传入 类进行对比
+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    // 获取类的元类 vs 传入类
    // 根元类 vs 传入类
    // 根类 vs 传入类
    // 举例：LGPerson vs 元类 (根元类) (NSObject)
    for (Class tcls = self->ISA(); tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

//- isKindOfClass：第一次是获取对象类 与 传入类对比，如果不相等，后续对比是继续获取上次 类的父类 与传入类进行对比
- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
/*
获取对象的类 vs 传入的类 
父类 vs 传入的类
根类 vs 传入的类
nil vs 传入的类
*/
    for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}
  • isMemberOfClass 源码解析（实例方法 & 类方法）
//-----类方法
//+ isMemberOfClass : 获取类的元类，与 传入类对比
+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return self->ISA() == cls;
}
//-----实例方法
//- isMemberOfClass : 获取对象的类，与 传入类对比
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return [self class] == cls;
}

源码分析总结

  • isKindOfClass

    • 类方法：元类（isa） --> 根元类（父类） --> 根类NSObject（父类） --> nil（父类） 与 传入类的对比
    • 实例方法：对象的类 --> 父类 --> 根类NSObject --> nil 与 传入类的对比

  • isMemberOfClass

    • 类方法： 类的元类 与 传入类 对比
    • 实例方法：对象的父类 与 传入类 对比

然后通过断点调试，isMemberOfClass 的类方法 和 实例方法的流程是正常的，会走到上面分析的源码，而isKindOfClass根本不会走到上面分析的源码中（！！！注意这里，这是一个坑点），而是会走到下面这个源码中，其类方法和实例方法都是走到objc_opt_isKindOfClass方法源码中

  • 汇编调用如下
image.png
  • objc_opt_isKindOfClass方法源码如下
// Calls [obj isKindOfClass]
BOOL
objc_opt_isKindOfClass(id obj, Class otherClass)
{
#if __OBJC2__
    if (slowpath(!obj)) return NO;
    //获取isa，
    //如果obj 是对象，则isa是类，
    //如果obj是类，则isa是元类
    Class cls = obj->getIsa(); 
    if (fastpath(!cls->hasCustomCore())) {
        // 如果obj 是对象，则在类的继承链进行对比，
        // 如果obj是类，则在元类的isa中进行对比
        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);
}

为什么会这样呢？主要是因为在llvm中编译时对其进行了优化处理

案例代码执行结果分析

根据源码的分析，来分析代码执行的结果为什么是0或者1
类方法调用情况分析：
re1：

BOOL re1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];
  • 第一次循环NSObject vs NSObject的元类即根元类-- 不相等
  • 第二次循环NSObject vs 根元类的父类即NSObject根类 -- 相等，返回1

re2：

BOOL re2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];
  • NSObject vs NSObject的元类即根元类-- 不相等，返回0

re3：

BOOL re3 = [(id)[LGPerson class] isKindOfClass:[LGPerson class]];
  • 第一次循环LGPerson vs LGPerson类的父类即元类-- 不相等
  • 第二次循环LGPerson vs LGPerson的元类的父类即根元类 -- 不相等
  • 第二次循环LGPerson vs 根元类的父类即根类NSObject -- 不相等
  • 第二次循环LGPerson vs 根元类的父类为nil-- 不相等，返回0

re4：

BOOL re4 = [(id)[LGPerson class] isMemberOfClass:[LGPerson class]];
  • LGPerson vs LGPerson的元类-- 不相等

类方法调用情况分析：
re5：

BOOL re5 = [(id)[NSObject alloc] isKindOfClass:[NSObject class]];
  • NSObjectvs NSObject的对象的isa指向父类即NSObject-- 相等，返回1

re6：

BOOL re6 = [(id)[NSObject alloc] isMemberOfClass:[NSObject class]];
  • NSObject vs NSObject的对象的类即NSObject-- 相等，返回1

re7：

BOOL re7 = [(id)[LGPerson alloc] isKindOfClass:[LGPerson class]];
  • LGPerson vsLGPerson的对象的isa指向父类即LGPerson-- 相等，返回1

re8：

BOOL re8 = [(id)[LGPerson alloc] isMemberOfClass:[LGPerson class]];
  • LGPerson vs LGPerson的对象的类即NSObject-- 相等，返回1
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