Objective-C 中的类和对象

1.id和Class的定义

runtime里面，声明了id和Class的类型，简化一下如下：

struct  objc_class  {
    struct  objc_class *isa;
};

struct  objc_object  {
    struct  objc_class *isa;
};

typedef  struct  objc_class *Class;  //类  (class object)

typedef  struct  objc_object *id; //对象 (instance of class)

在objc中，id代表了一个对象。根据上面的声明，凡是首地址是*isa的struct指针，都可以被认为是objc中的对象。运行时可以通过isa指针，查找到该对象是属于什么类(Class)。

2.运行时的实现方式

根据上面的说法，类对象(Class)同样也算是对象，那它的isa又是指向了什么呢？为了了解这些东西是怎么回事，这里写一个简单的类NyanCat，并且用C重写一遍，看看编译器在底层到底是如何实现的。

@interface NyanCat : NSObject  {
    int  age;
    NSString  *name;
}

-  (void)nyan;
+  (void)nyan;

@end

@implementation  NyanCat

-  (void)nyan1  {
    printf("instance nyan~");
}

+  (void)nyan2  {
    printf("class nyan~");
}

@end

上面是一个简单的类，有两个instance variable，有一个类方法、一个实例方法。

clang  -rewrite-objc NyanCat.m

在终端执行上面这一条语句，让clang将该类重写为cpp代码，我们就能查看到大概底层的实现机制了(实际编译的文件和这个会有些出入，不同目标架构和不同版本clang也会有不同..权且当参考了)。

rewrite后的代码基本是纯C的，稍微整理一下，可以提取出下面这些信息：

//Class的实际结构
struct  _class_t  {
  struct  _class_t *isa;        //isa指针
  struct  _class_t *superclass;  //父类
  void  *cache;
  void  *vtable;
  struct  _class_ro_t *ro; //Class包含的信息
};

//Class包含的信息
struct  _class_ro_t  {
  unsigned  int  flags;
  unsigned  int  instanceStart;
  unsigned  int  instanceSize;
  unsigned  int  reserved;
  const  unsigned  char  *ivarLayout;
  const  char  *name; //类名
  const  struct  _method_list_t *baseMethods; //方法列表
  const  struct  _objc_protocol_list *baseProtocols;  //协议列表
  const  struct  _ivar_list_t *ivars; //ivar列表
  const  unsigned  char  *weakIvarLayout;
  const  struct  _prop_list_t *properties;            //属性列表
};

//NyanCat(meta-class)
struct  _class_t OBJC_METACLASS_$_NyanCat  =  {
  .isa        =  &OBJC_METACLASS_$_NSObject,
  .superclass  =  &OBJC_METACLASS_$_NSObject,
  .cache      =  (void  *)&_objc_empty_cache,
  .vtable =  (void  *)&_objc_empty_vtable,
  .ro =  &_OBJC_METACLASS_RO_$_NyanCat,  //包含了类方法等
};

//NyanCat(Class)
struct  _class_t OBJC_CLASS_$_NyanCat  =  {
  .isa        =  &OBJC_METACLASS_$_NyanCat, //此处isa指向meta-class
  .superclass  =  &OBJC_CLASS_$_NSObject,
  .superclass  =  (void  *)&_objc_empty_cache,
  .vtable =  (void  *)&_objc_empty_vtable,
  .ro =  &_OBJC_CLASS_RO_$_NyanCat, //包含了实例方法 ivar信息等
};

typedef  struct  objc_object NyanCat; //定义NyanCat类型

//更详细的不贴代码了..

所有NyanCat的实例的isa都指向了NyanCat(Class)。

NyanCat(Class)是一个全局变量，其中记录了类名、成员变量信息、property信息、protocol信息和实例方法列表等。

NyanCat(Class)的isa指向了全局变量NyanCat(meta-class)，meta-class里只记录了类名、类方法列表等。

画出图来就是这样：

objc-meta.png

举例来说一下：

NyanCat  *cat  =  [[NyanCat  alloc] init];
[cat nyan1];

向cat (instance) 发送消息nyan1时，运行时会通过isa指针查找到NyanCat(Class)，这里保存着本类中定义的实例方法的指针。

objctree.png

[NyanCat  nyan2];

向NyanCat(Class)发送消息nyan2时，运行时会通过isa查找到NyanCat(meta-class)，这里保存着本类中定义的类方法的指针。

运行时如何利用Chass和meta-class来实现动态消息的，以后在记吧～

3.类的继承

在_class_t里面，第二个成员是superclass，很明显这个指针指向了它的父类。运行时可以通过isa和superclass获取一个类在继承树上的完整信息。

为了说明方便，这里把上面的例子稍微改一下：NyanCat : Cat : NSObject 这样一个继承树，画出图来就是这样子的：

objctree.png

如上面图中，跟随黑线，可以看到isa的指向。运行时，每个对象的isa都不为空，这样只要是一个id类型的对象，runtime都可以通过访问首地址偏移(isa)来获取该对象的信息了。

上图中跟随绿线，可以看到superclass的指向。当运行时在搜寻方法、ivar信息时，如果没有找到信息，则会沿superclass的线查找上去，最终NSObject(根类)的superclass是nil。

如果自己定义了一个根类(比如NSProxy)，则这个根类会替换图中NSObject的位置。

为了验证上面的说法，可以敲一下代码看看：

#import "NyanCat.h"

#import <objc/runtime.h>

#import <objc/objc.h>

void  test()  {

    NyanCat  *cat  =  [[NyanCat  alloc] init];

    Class  cls  =  object_getClass(cat);  //NyanCat(Class)

    class_getName(cls); //"NyanCat"

    class_isMetaClass(cls); //NO

    Class  meta  =  object_getClass(cls);  //NyanCat(meta-class)

    class_getName(meta); //"NyanCat"

    class_isMetaClass(cls);            //YES

    Class  meta_meta  =  object_getClass(meta);  //NSObject(meta-class)

    class_getName(meta_meta);                //"NSObject"

    class_isMetaClass(meta_meta);            //YES

}

最后吐嘈一下：平时开发时，meta-class基本是用不着接触的，superclass指针无法访问，isa指针可能稍后也会隐藏起来(苹果的动作真多)。。所以上面说得这些，了解一下就好～～