iOS原理 isa的指向&类的继承

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这是一幅很经典的图，虚线表示『isa的指向』，实线表示『类的继承』。通过iOS原理对象的本质一文的学习，清楚了实例对象、类对象以及元类对象的区别，接下来详细介绍上图中的两个流程。

一、isa的指向

图中的Root class(class)是根类，即NSObject类。Root class(meta)就是NSObject的元类，即根元类。从图中可知，isa的指向如下：

从下往上分别是：

实例对象 --> 类对象 --> 元类对象 --> 根元类对象
父类的实例对象 --> 父类的类对象 --> 父类的元类对象 --> 根元类对象
根类的实例对象 --> 根类的类对象 --> 根元类对象
根元类对象 --> 自己本身

这里创建一个Person对象，然后在lldb中打印来论证这个isa的指向关系。

1.1 实例对象的isa指向

//先实例化一个person对象
Person *person = [[Person alloc] init];

//然后在lldb中打印这个person对象的内存
(lldb) x/4gx person
0x10068de60: 0x001d8001000021e5 0x0000000000000000
0x10068de70: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
(lldb)

x/4gx表示以16进制格式打印4段内存：

x：即memory read，读取内存
4：表示打印4段
g：表示格式化输出
x：表示以16进制打印输出。

通过前面的学习，我们知道对象内存中的第一个成员为isa，将isa和ISA_MASK进行与运算即可得到类对象的地址。

//isa & ISA_MASK，再以16进制打印运算结果
(lldb) p/x 0x001d8001000021e5 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $1 = 0x00000001000021e0
(lldb) po $1
Person
(lldb)

从打印结果可知，实例对象的isa指向了类对象。

1.2 类对象的isa指向

之前有说过，类对象是在运行时由系统创建，而且只会生成一个，这里也在lldb中进行验证。

(lldb) p/x Person.class
(Class) $2 = 0x00000001000021e0 Person
(lldb)

$2是通过Person.class方法获取到的类对象，其地址和前面通过实例对象isa获取到的类对象$1地址相同，即可证明类对象只会生成一个。

类对象所属的类是元类，可以通过isa成员访问。

//打印类对象$1的内存，第一个成员为isa   
(lldb) x/4gx $1
0x1000021e0: 0x00000001000021b8 0x0000000100334140
0x1000021f0: 0x0000000102849120 0x0001802400000003
//isa & ISA_MASK，再以16进制打印运算结果
(lldb) p/x 0x00000001000021b8 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $3 = 0x00000001000021b8
(lldb) po $3
Person
(lldb)

将类对象的isa成员和ISA_MASK相与后，得到的Person对象$3即为元类对象，即可验证类对象的isa指向了元类对象。

1.3 元类对象的isa指向

通过元类对象的isa成员来访问其所属的类对象。

//打印元类对象$3的内存，第一个成员即为isa
(lldb) x/4gx $3
0x1000021b8: 0x00000001003340f0 0x00000001003340f0
0x1000021c8: 0x000000010074afa0 0x0003e03500000007
//isa & ISA_MASK，再以16进制打印运算结果
(lldb) p/x 0x00000001003340f0 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $4 = 0x00000001003340f0
(lldb) po $4
NSObject
//打印NSObject的类对象地址
(lldb) p/x NSObject.class
(Class) $5 = 0x0000000100334140 NSObject
(lldb)

$5是NSObject的类对象，从打印结果可以看出， $4和$5的地址不相同，所以元类对象的isa指向的不是NSObject类对象，而是NSObject的元类对象，即根元类对象。

1.4 根类对象的isa指向

通过根类对象（NSObject类对象）的isa来访问其所属的类对象。

//打印根类对象$5的内存，第一个成员即为isa
(lldb) x/4gx $5
0x100334140: 0x00000001003340f0 0x0000000000000000
0x100334150: 0x0000000102849440 0x0001801000000003
//isa & ISA_MASK，再以16进制打印运算结果
(lldb) p/x 0x00000001003340f0 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $6 = 0x00000001003340f0
(lldb) po $6
NSObject
(lldb)

从打印结果可知，$6和&4的地址相同，所以根类对象的isa指向的是根元类对象。

1.5 根元类对象的isa指向

通过根元类对象（NSObject元类对象）的isa来访问其所属的类对象。

//打印根元类对象$3的内存，第一个成员即为isa
(lldb) x/4gx $4
0x1003340f0: 0x00000001003340f0 0x0000000100334140
0x100334100: 0x000000010063d760 0x0005e03100000007
//isa & ISA_MASK，再以16进制打印运算结果
(lldb) p/x 0x00000001003340f0 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $7 = 0x00000001003340f0
(lldb) po $7
NSObject
(lldb)

从打印结果可知，$7和&4的地址相同，即根元类对象的isa指向的是其本身。

二、类的继承

从经典图中可知，继承关系如下：

类对象 --> 父类的类对象 --> 根类的类对象 --> nil
元类对象 --> 父类的元类对象 --> 根元类对象 --> 根类的类对象 --> nil

从这个继承关系可知，只有类对象和元类对象才有继承关系，实例对象是没有继承关系的。且所有对象都是继承于NSObject类对象，NSObject类对象则继承于nil。

2.1 NSObject在底层的结构

NSObject在底层是一个objc_object结构体，在objc源码中搜索可以看到这个结构体在objc.h和obje-private.h这两个文件中均有声明。

objc-private.h文件中的objc_object

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:

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

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

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

    ......   //others

private:
    void initIsa(Class newCls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor);

    ... ...    //others
}

在这个文件里，objc_object结构体里面有一个私有成员isa，是isa_t类型，用于在创建对象时保存对象所属的类的信息，通过将isa和ISA_MASK进行&运算，就可得到类对象的地址。

objc.h文件中的objc_object

typedef struct objc_class *Class;

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

在这里，成员isa是个Class类型。因为在创建对象时，在objc_object::initIsa里会进行如下判断：

if (!nonpointer) {
    isa = isa_t((uintptr_t)cls);
} else {
    ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());

    isa_t newisa(0);    
    //... ...
}

若nonpointer为0，isa里只保存类信息，即类对象的地址，所以直接声明成Class类型，便于访问。可以看到，NSObject在OC层面的结构里，isa也是Class类型。

@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

由于类（元类）对象都是继承于NSObject类对象的，所以任何实例对象或类（元类）对象里，都有一个成员isa，只是类对象的isa里只保存了元类对象的地址，可以直接访问元类对象，而实例对象的isa除了保存类对象的地址外，还存有引用技术等其他信息，所以若要访问类对象，需要将实例对象的isa和ISA_MASK进行&运算得到类对象的地址。

isa相关介绍可阅读这篇文章：iOS原理 alloc核心步骤3：initInstanceIsa详解