iOS开发之类的本质

  我们这里讨论类的结构，我们先定义2个类Strudent和Person，Strudent继承自Person，Person继承自NSObject。

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
#import <malloc/malloc.h>
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
@interface Person : NSObject{
    NSString *nickname;
}
@property (nonatomic, copy)NSString *name;
-(void)eat;
+(void)drink;
@end

@implementation Person
-(void)eat{
    NSLog(@"eat");
}
+(void)drink{
    NSLog(@"drink");
}
@end

@interface Student : Person
@end
@implementation Student
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        Student *student = [[Student alloc]init];
        Person *person = [[Person alloc]init];
        NSLog(@"%@ - %@",student,person);
     }
    return 0;
}

我们先用lldb调试，看看类的在内存中的地址。


我们可以看到，p/x 0x001d8001000022e5 & 0x00007ffffffffff8ULL和p/x 0x00000001000022b8 & 0x00007ffffffffff8ULL打印的结果一致。这是为什么呢？因为0x00000001000022e0是示例对象isa经过掩码计算后得出的类对象的地址，而0x00000001000022b8是类对象的isa经过掩码计算后的元类对象的地址，元类是iOS底层一个抽象的概念，由编译器自动完成，所以两个结果是相同的。

元类

1.实例对象中存放成员变量，实例对象的isa指向类对象
2.类对象中存放实例方法，类对象的isa指向元类对象
3.元类对象存放类方法，元类对象的isa指向根元类NSObject

我们可以继续往下进行lldb的调试，得到根类NSObject，lldb的说明和我们上面的一样。


然后我们打印NSObject，这里的两个地址不一样，为什么？难道是因为底层有另外一个NSObject对象吗？我们接下来验证一下。
image.png

        Class class1 = [Person class];
        Class class2 = [Person alloc].class;
        Class class3 = object_getClass([Person alloc]);
        Class class4 = [Person alloc].class;
        
        NSLog(@"%p",class1);
        NSLog(@"%p",class2);
        NSLog(@"%p",class3);
        NSLog(@"%p",class4);

打印结果：


这里说明在内存中，所有的类对象只会创建一份，为什么NSObject对象的地址会不一样呢。我们继续lldb调试。

这里一样了，因为我们刚才不一样的原因是一个是NSObject对象，一个是NSObject的元类对象。大家明白了吗？然后我们看看经典的isa走位图，这个图片网上都有，因为很经典，所以大家都在用。
isa流程图.png

objc_class & objc_object

  为什么对象，类，元类，都有isa呢？我们查看源码，里面有一个类型。

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

  然后我们查看发现有一个继承自他的类

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

  说白了，我们的NSObject对象只是OC帮我们封装后的记过，在底层C/C++的实现里，是没有对象的概念的，在底层类都是struct objc_class类型的，然后继承自objc_object(结构体)。
上面我们说到了，实例方法存在类对象里，类方法存在元类里，那么我们怎么验证呢？


看上方源码里的类结构，第一个是被注释掉的//Class ISA，因为我们是有了继承的ISA，第二个是superclass（即NSObject），如果是那么我们打印的第二串地址里0x00000001000022d0，应该存放的是我们的父类信息。看下图，我们得到了验证结果，是这样的。接下来我们先补充一段内存偏移的知识，这样我们才能一步步拿到类后面的信息。

内存偏移
        int a = 10;
        int b = 10;
        NSLog(@"%d----%p",a,&a);
        NSLog(@"%d----%p",b,&b);

输出结果：

ab的内存地址差了4个字节。我们再来看数组指针，

//数组指针
    int c[4] = {1, 2, 3, 4};
    int *d = c;
    NSLog(@"%p -- %p - %p", &c, &c[0], &c[1]);
    NSLog(@"%p -- %p - %p", d, d+1, d+2);

输出结果：

从打印结果我们知道：

  • &c和&c[0]都是取 首地址，即数组名等于首地址，所以相同。
  • &c与&c[1]相差4个字节，地址之间相差的字节数，主要取决于存储的数据类型
  • 可以通过 首地址+偏移量取出数组中的其他元素，其中偏移量是数组的下标，内存中首地址实际移动的字节数等于 偏移量 x 数据类型字节数

所以刚才我们打印出来的NSObject就是根据内存偏移得出来的，那么接下来我们想要知道类里面的bits信息，我们只需要知道cache的大小，然后让内存偏移就行了。刚才的结果可不是蒙的哦~

计算cache类的内存大小

进入cache类cache_t的定义（只贴出了结构体中非static修饰的属性，主要是因为static类型的属性不存在结构体的内存中），有如下几个属性

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets; // 是一个结构体指针类型，占8字节
    explicit_atomic<mask_t> _mask; //是mask_t 类型，而 mask_t 是 unsigned int 的别名，占4字节
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets; //是指针，占8字节
    mask_t _mask_unused; //是mask_t 类型，而 mask_t 是 uint32_t 类型定义的别名，占4字节
    
#if __LP64__
    uint16_t _flags;  //是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节
#endif
    uint16_t _occupied; //是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节

计算前两个属性的内存大小，有以下两种情况，最后的内存大小总和都是12字节
【情况一】if流程

  • buckets类型是struct bucket_t *，是结构体指针类型，占8字节
  • mask是mask_t类型，而mask_t是unsigned int的别名，占4字节

【情况二】elseif流程

  • _maskAndBuckets是uintptr_t类型，它是一个指针，占8字节
  • _mask_unused是mask_t类型，而mask_t是uint32_t类型定义的别名，占4字节
  • _flags是uint16_t类型，uint16_t是unsigned short的别名，占 2个字节
  • _occupied是uint16_t类型，uint16_t是unsigned short的别名，占 2个字节
    所以最后计算出cache类的内存大小 = 12 + 2 + 2 = 16字节。
    接下来我们就来重点了，获取bits。所有的内容我们只需要首地址偏移32字节即可。然后看lldb调试(下图)。（bits的类型class_data_bits_t）

    注：
  • x/4gx我们拿到Person类的首地址0x100002138+32 = 0x100002158(16进制)
  • p $1->data()是因为OC底层有提供bits的data()方法,我们可以看到方法列表的类型是class_rw_t（class_rw_t类型图如下）
class_rw_t

我们继续lldb调试，打印其中的属性列表，方法列表。


但是属性好像只有一个@"nickname"，但是我们看看我们定义的属性。

@interface Person : NSObject{
    NSString *name;
}
@property (nonatomic, copy)NSString *nickname;
-(void)eat;
+(void)run;
@end

明明有两个，那么name这个成员变量跑哪里去了呢？为什么property_list中只有属性，没有成员变量呢？

探索成员变量的存储位置

在刚才我们查看class_rw_t的类型的时候，我们发现了methods()，properties()，protocols()，然后在网上，我们还有一个类型没有注意到class_ro_t(如下图)


那么我们是不是就可以猜测，这里存放的是成员变量呢？我们继续lldb调试。

在里面，我们成功找到了name。知道了属性和成员变量的存储位置，那么接下来我们探讨方法的存储。

探索方法列表methods_list

刚才我们lldb调试的是properities(),这次我们用methods()。


我们成功的找到了实例方法，eat()，我们继续往下看看方法列表里都放了什么方法。go on lldb

我们找到了很多方法，比如eat(),cxx_destruct(),nickname的getter和setter方法。但是好像没有我们上面自己定义的类方法，run()。所以他应该不存在这里。很简单，我们验证我们上面的说法，究竟是不是放在元类里呢？继续lldb呗？还能咋地？

OK，看到了没，类方法已经被我们找到了。接下来我们来总结一下。

总结：

  • objc_object是我们OC底层实现对象的基类，里面重要的数据类型就是，Class ISA，Class superclass，cache_t cache，class_data_bits_t bits,重要的信息比如属性列表，方法列表，协议列表都放在bits这里。

  • 通过{}定义的属性没有set和get方法，存放在bits --> data() -->ro() --> ivars获取成员变量列表

  • 通过@ property定义的属性，存放在bits --> data() -->() --> list获取成员属性列表

  • 方法在底层的类型是class_rw_t类型，在class_rw_t的实现内部，我们又发现了类方法的类型是class_ro_t的类型。

  • 类的实例方法存储在类的bits属性中，通过bits --> methods() --> list获取实例方法列表，例如Person类的实例方法eat就存储在Person类的bits属性中，类中的方法列表除了包括实例方法，还包括属性的set方法和get方法

  • 类的类方法存储在元类的bits属性中，通过元类bits --> methods() --> list获取类方法列表，例如Person中的类方法run就存储在Person类的元类（名称也是Person）的bits属性中

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