Objective-C的runtime机制01-数据结构和内部关系图

那么，OC的对象在runtime的时候会是个什么样子的呢？

runtime中的数据结构

有源码有真相

以下是我摘自runtime源码中的数据结构定义. 我看的版本是 objc4-680

//-------- [file:objc-runtime-new.h] --------
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
    ......
}

//-------- [file:objc-private.h] --------
typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
    ......
}

union isa_t 
{
    ......
    Class cls;
    uintptr_t bits;
    ......
}

解读

首先我们不管OC中的对象是什么。切回C/C++的视角，我们可以看到，runtime中定义了一个叫做 objc_object 的结构体，代表OC层的对象，定义了一个objc_class的结构体，代表OC层的类。当然，在rutime层看都是结构体。
在runtime层看，objc_class 继承于 objc_object。所以objc_class是个更丰富的objc_object而已。对应于OC层，就是说，OC中的类也是一个对象。
objc_object中有个isa_t 的成员变量isa，isa_t是个联合体，我们只关心它的Class cls的联合部分。而Class又是个objc_class *。每个对象里面有个isa的成员变量，指向它代表一个类的东西。从OC的角度看，每个对象都能从isa中寻找到它的类的相关信息。

类对象/元类对象

苹果搞出这么一些乱七八糟的数据结构，那么又是怎么样用这些数据结构搭建OC运行时环境的呢？

对于OC的类，编译器会知道类的各种信息:谁家的孩子？（继承），叫什么？（类名）有啥本事？（成员函数）等等。那么在运行时，就会根据这些信息生成描述这个类的对象，称作类对象（class object）。类对象也是一个对象（objc_object类型的），只不过这个对象是描述OC的类信息的。类对象是个单例(singleton)，这个也很好理解，对于OC层的某个具体的类，有且仅有一个。
类对象既然是objc_object类型，当然也有个isa的指针，告诉说这是一个什么样的对象。那么这个isa指针指向的对象就是元类对象（metaclass object）。元类对象存储的信息描述的是类对象的。
元类对象也是对象，它的isa又指向哪里？当然不是元元类了，而是指向根类对象的元类对象。对于大部分情况下，OC中的对象的根类是NSObject，那么元类对象的isa就是指向NSObject的元类对象。

描述半天感觉很晕乎，他们说看这张图就清晰多了。虚线 isa指针，实线superclass。

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上面部分静态的描述了一下runtime中有哪些对象，他们的关系怎么样。下面动态的描述一下。

程序启动之后，会根据编译时的类的信息，在runtime环境中构建相应的类对象和元类对象。元类对象isa都指向根类，类对象的isa指向自己的元类对象，并且是个单例。构建相应的superclass等。这样，启动之后，runtime就知道有些啥类，他们能干嘛，他们之间的关系是什么样了。
运行时，如果遇到创建OC某个类的实例对象（instance object），分配空间之后，把isa指针指向对象的类对象（class object），这样，对于这个OC对象，也就能知道类的信息。

为嘛搞那么复杂

C语言不是动态语言。OC作为C的超集，要实现动态，就要把类的描述之类的东西从编译阶段挪到运行阶段。那么在运行阶段，就需要有类对象（class object），元类对象（metaclass object）等等对象化的东西来处理OC类的信息。runtime就这么玩的。

举个例子

DJObject 继承于BaseObject, BaseObject继承于NSObject

//  BaseObject.h
@interface BaseObject : NSObject
@end

// DJObject.h
@interface DJObject : BaseObject
@end

// 比如在代码中造了个对象
DJObject * djObj = [DJObject new];

那么，这些结构就是这样子的：

运行时图

右边橙色部分是runtime部分，在启动加载的时候造的对象，左边是OC部分，在运行诸如[DJObject new]的时候干的事情。
runtime部分内，红色线是isa指针，黑色线是superclass指针。

写到这里，基本上runtime的内部架构是清楚了。后面的文章将看看runtime是怎么实现Objective-C的各种机制的。

吐槽一下

网络上贴的各种文章对runtime的结构的摘录，随便摘录了一下就开始说：

//他们在objc.h文件中摘录了这样的一段数据结构。
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

//他们在runtime.h文件中摘录了这样的一段数据结构。
struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class super_class                                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

首先objc.h/runtime.h中的各种类型的定义，已经被 #if !OBJC_TYPES_DEFINED 这个宏给排除出去了，所以这些定义是无效的。
其次，后面明明有一个OBJC_ISA_AVAILABILITY。这个宏的定义如下

#if !defined(OBJC_ISA_AVAILABILITY)
#   if __OBJC2__
#       define OBJC_ISA_AVAILABILITY  __attribute__((deprecated))
#   else
#       define OBJC_ISA_AVAILABILITY  /* still available */
#   endif
#endif

就是说，在oc2.0的版本中，这个属性是不推荐的。实际上在2.0的OC层，我们是无法访问isa指针的，所以让人看这个定义是很迷惑的。

对于objc_class的摘录，一样被OBJC_ISA_AVAILABILITY排除在外。还有人家明明说非objc2.0才有下面的一些诸如super_class的属性，很多文章还以此为讲解。

下一篇: Objective-C的runtime机制02-消息机制

参考文章

Objective-C对象之类对象和元类对象（一）
Objective-C Runtime 运行时之一：类与对象
 刨根问底Objective－C Runtime（2）－ Object & Class & Meta Class