iOS 的实例对象、类、元类

级别：★★☆☆☆
标签：「实例对象」「类」「元类」「实例对象、类、元类」
作者： ITWYW
审校： QiShare团队

前言
笔者最近看了部分 实例对象、类、元类 相关的内容。会在本文中做下分享。

首先我们看下实例对象、类、元类的定义。

类、元类的定义

元类：在面向对象程序设计中，元类（英语：metaclass）是一种实例是类的类。普通的类定义的是特定对象的行为，元类定义的则是特定的类及其对象的行为。
引自 360百科 元类

类：类（英语：class）在面向对象编程中是一种面向对象计算机编程语言的构造，是创建对象的蓝图，描述了所创建的对象共同的属性和方法。 引自维基百科 类

The metaclass is the description of the class object, just like the class is the description of ordinary instances.
引自[objc explain]: Classes and metaclasses

简单来说：

类是实例对象的描述，元类是类对象的描述。
举个例子 NSObject *obj = [NSObject new];
NSObject 是 实例对象 obj 的描述，NSObject 的元类是 NSObject 类对象的描述。

实例对象、类、元类之间的关系

我们看一下实例对象、类、元类之间的关系图。

instance_class_metaClass

图片引自[objc explain]: Classes and metaclasses

根据上图，我们可以梳理一下实例对象、类、元类之间的关系。

一、实例对象、类对象、元类的 isa 指向及父类指向说明

下边笔者说明下上图中 isa 和父类指向。

  1. 实例对象的 isa 指针指向类对象；
  2. 类对象的 isa 指针指向元类对象；
  3. 元类对象的 isa 指针指向根元类（NSObject元类）；
  4. 根元类（NSObject元类）的 isa 指针指向自己；
  1. 子类的元类的父类指向父类的元类；
  2. NSObject的父类为nil；
  3. 根元类（NSObject元类）的父类指向NSObject。
0. 下文会用到的函数说明
// 注：使用如下函数需要在自己的文件中引入runtime头文件 即 #import <objc/runtime.h>

// 如果obj为实例对象返回obj对应的类对象，如果obj为类对象返回obj对应的元类对象，如果obj为元类对象，返回obj的元类对象。
OBJC_EXPORT Class _Nullable object_getClass(id _Nullable obj) ;

// 返回指定类名name的元类
OBJC_EXPORT Class _Nullable objc_getMetaClass(const char * _Nonnull name);

// 查看指定类是否为元类
OBJC_EXPORT BOOL class_isMetaClass(Class _Nullable cls);

// 返回指定类的父类
OBJC_EXPORT Class _Nullable class_getSuperclass(Class _Nullable cls) ;

我们可以使用代码验证一下实例对象、类、元类关系图的正确性。
为了验证对象、类对象、元类的isa指向及父类指向，笔者创建了 2 个类，分别是 QiSuperClass、QiSubClass。
QiSuperClass 继承自 NSObject，QiSubClass 继承自 QiSuperClass。

笔者写了如下示例代码做验证。

//! 验证实例对象、类对象、元类对象的isa及父类指向
- (void)instanceClassMetaClassISASuperClicked {
    
    QiSubClass *subClassInstance = [QiSubClass new];
    // 类对象
    Class subClass = object_getClass(subClassInstance);
    // 元类对象
    Class subMetaClass = object_getClass(subClass);
    // 元类对象的元类对象
    Class subMetaClassMetaClass = object_getClass(subMetaClass);
    
    // 1. 实例对象的 isa 指针指向类对象
    QiLog(@"----1. 实例对象的 isa 指针指向类对象----");
    QiLog(@"QiSubClass的类对象地址：%p，QiSubClass类对象地址：%p", subClass, [QiSubClass class]);
    
    // 2. 类对象的 isa 指针指向元类对象；
    QiLog(@"----2. 类对象的 isa 指针指向元类对象；----");
    QiLog(@"QiSubClass元类对象地址：%p，QiSubClass元类对象地址：%p", subMetaClass, objc_getMetaClass("QiSubClass"));
    
    // 3. 元类对象的 isa 指针指向根元类（NSObject元类）；
    QiLog(@"----3. 元类对象的 isa 指针指向根元类（NSObject元类）----");
    QiLog(@"QiSubClass元类对象的元类对象地址：%p，根元类（NSObject元类）的对象地址：%p", subMetaClassMetaClass, objc_getMetaClass("NSObject"));
    
    // 4. 根元类（NSObject元类）的 isa 指针指向自己；
    QiLog(@"----4. 根元类（NSObject元类）的 isa 指针指向自己----");
    QiLog(@"根元类（NSObject元类）的对象地址：%p，根元类（NSObject元类）的对象的isa指针地址：%p", objc_getMetaClass("NSObject"), object_getClass(objc_getMetaClass("NSObject")));
    
    // 1. 子类的元类的父类指向父类的元类；
    QiLog(@"----1. 子类的元类的父类指向父类的元类----");
    QiLog(@"QiSubClass的元类的父类对象地址：%p，QiSuperClass的元类地址：%p", class_getSuperclass(objc_getMetaClass("QiSubClass")), objc_getMetaClass("QiSuperClass"));
    
    // 2. NSObject的父类为nil；
    QiLog(@"----2. NSObject的父类为nil----");
    QiLog(@"NSObject的父类对象：%@", class_getSuperclass([NSObject class]));
    
    // 3. 根元类（NSObject元类）的父类指向NSObject。
    QiLog(@"----3. 根元类（NSObject元类）的父类指向NSObject----");
    QiLog(@"根元类（NSObject元类）的父类地址：%p，NSObject类地址：%p", class_getSuperclass(objc_getMetaClass("NSObject")), [NSObject class]);
}

笔者整理后的输出结果如下：

----1. 实例对象的 isa 指针指向类对象----
QiSubClass的类对象地址：0x10dad86c0，QiSubClass类对象地址：0x10dad86c0

----2. 类对象的 isa 指针指向元类对象；----
QiSubClass元类对象地址：0x10dad8698，QiSubClass元类对象地址：0x10dad8698

----3. 元类对象的 isa 指针指向根元类（NSObject元类）----
QiSubClass元类对象的元类对象地址：0x7fff86cb8638，根元类（NSObject元类）的对象地址：0x7fff86cb8638
    
----4. 根元类（NSObject元类）的 isa 指针指向自己----
根元类（NSObject元类）的对象地址：0x7fff86cb8638，根元类（NSObject元类）的对象的isa指针地址：0x7fff86cb8638
    
----1. 子类的元类的父类指向父类的元类----
QiSubClass的元类的父类对象地址：0x10dad8508，QiSuperClass的元类地址：0x10dad8508
    
----2. NSObject的父类为nil----
NSObject的父类对象：(null)
    
----3. 根元类（NSObject元类）的父类指向NSObject----
根元类（NSObject元类）的父类地址：0x7fff86cb8660，NSObject类地址：0x7fff86cb8660

上文中的代码在一起查看可能会有些乱，下边笔者使用LLDB输出对象的地址。来分别查看实例对象、类对象、元类对象之间的关系。

1. 实例对象的 isa 指针指向类对象；

查看 QiSubClass 的类对象地址都是 0x0000000104173580。

(lldb) p/x [QiSubClass class]
(Class) $1 = 0x0000000104173580 QiSubClass

(lldb) p/x object_getClass([QiSubClass new])
(Class _Nullable) $2 = 0x0000000104173580 QiSubClass
2. 类对象的 isa 指针指向元类对象；

查看 QiSubClass 的元类对象地址都是 0x0000000104173558。

(lldb) p/x object_getClass([QiSubClass class])
(Class _Nullable) $3 = 0x0000000104173558
(lldb) p/x objc_getMetaClass("QiSubClass")
(Class _Nullable) $4 = 0x0000000104173558
3. 元类对象的 isa 指针指向根元类（NSObject元类）；

查看 QiSubClass 的元类对象的元类对象的地址和NSObject的元类对象的地址都是 0x00007fff86cb8638。

(lldb) p/x object_getClass(objc_getMetaClass("QiSubClass"))
(Class _Nullable) $5 = 0x00007fff86cb8638
(lldb) p/x objc_getMetaClass("NSObject")
(Class _Nullable) $6 = 0x00007fff86cb8638
4. 根元类（NSObject元类）的 isa 指针指向自己；

查看 NSObject的元类对象的地址 和 NSObject 的元类对象的元类对象的地址都是 0x00007fff86cb8638。

(lldb) p/x objc_getMetaClass("NSObject")
(Class _Nullable) $6 = 0x00007fff86cb8638
(lldb) p/x object_getClass(objc_getMetaClass("NSObject"))
(Class _Nullable) $7 = 0x00007fff86cb8638
1. 子类的元类的父类指向父类的元类；

查看 QiSubClass 的元类的父类对象的地址 和 QiSuperClass 的元类对象的地址都是 0x00000001041733c8。

(lldb) p/x class_getSuperclass(objc_getMetaClass("QiSubClass"))
(Class _Nullable) $11 = 0x00000001041733c8
(lldb) p/x objc_getMetaClass("QiSuperClass")
(Class _Nullable) $12 = 0x00000001041733c8
2. NSObject的父类为nil；

查看 NSObject 的父类对象为nil。

(lldb) po class_getSuperclass([NSObject class])
nil
3. 根元类（NSObject元类）的父类指向NSObject。

查看 NSObject 元类的父类对象的地址 和 NSObject 类对象的地址都是 0x00007fff86cb8660。

(lldb) p/x class_getSuperclass(objc_getMetaClass("NSObject"))
(Class _Nullable) $16 = 0x00007fff86cb8660 NSObject
(lldb) p/x [NSObject class]
(Class) $17 = 0x00007fff86cb8660 NSObject

二、修改类对象、元类对象的ISA指向

下边笔者使用的如下的QiSuperClass、QiSubClass的代码，进行修改ISA指向的操作。

@interface QiSuperClass : NSObject
    
- (void)superMethod;
+ (void)superClassMethod;

@end

NS_ASSUME_NONNULL_END

#import "QiSuperClass.h"

@implementation QiSuperClass

- (void)superMethod {
    
    NSLog(@"superMethod");
}

+ (void)superClassMethod {
    
    NSLog(@"SuperClassMethod");
}

@end


NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface QiSubClass : QiSuperClass

- (void)subMethod;
+ (void)subClassMethod;

@end

NS_ASSUME_NONNULL_END

#import "QiSubClass.h"

@implementation QiSubClass

- (void)subMethod {
    
    NSLog(@"subMethod");
}

+ (void)subClassMethod {
    
    NSLog(@"subClassMethod");
}

@end

推测一下如下代码的执行结果

    QiSuperClass *superCls = [QiSuperClass new];
    [superCls superMethod];
    QiLog(@"superCls对象当前类型：%@", superCls.class);

    [((QiSubClass *)superCls) subMethod];
    [QiSuperClass performSelector:@selector(subClassMethod)];

测试一下，会发现上述代码会出现崩溃，因为 superCls 是 父类 QiSuperClass 的实例对象，superCls 没有子类QiSubClass 的实例方法 subMethod。同样父类 QiSuperClass 没有子类 QiSubClass 的类方法。进一步来说大家如果查看过类的方法列表、元类的方法列表就会了解其中原因（其中原因，笔者会在后续文章中做说明）。

推测一下如下代码的执行结果

    QiSuperClass *superCls = [QiSuperClass new];
    [superCls superMethod];
    
    QiLog(@"superCls对象当前类型：%@", superCls.class);
    // Sets the class of an object. 设置一个对象的类
    object_setClass(superCls, QiSubClass.class);
    QiLog(@"superCls对象当前类型：%@", superCls.class);
    [((QiSubClass *)superCls) subMethod];
    
    QiLog(@"QiSuperClass的元类对象类型：%@", objc_getMetaClass("QiSuperClass"));
    object_setClass(QiSuperClass.class, objc_getMetaClass("QiSubClass"));
    QiLog(@"QiSuperClass的元类对象类型：%@", objc_getMetaClass("QiSuperClass"));
    
    [QiSuperClass performSelector:@selector(subClassMethod)];

输出内容如下：

superMethod
superCls对象当前类型：QiSuperClass
superCls对象当前类型：QiSubClass
subMethod
QiSuperClass的元类对象地址：0x10d6e3a10
QiSuperClass的元类对象地址：0x10d6e3ba0
QiSubClass的元类对象地址：0x10d6e3ba0
subClassMethod

昨天同事大成小栈 问到笔者对 object_setClass 的应用场景。笔者自己平时项目中没有使用过 object_setClass。（大家如果项目中有 object_setClass 的应用场景，欢迎评论）。笔者说下个人想法，KVO的实现过程中用到了 object_setClass。大家如果看过KVO的部分实现，可能会了解到当我们给监听指定类的后，系统会为指定的类动态创建一个监听类的子类，并且修改监听类对象的isa指针到新创建的子类。笔者用如下代码做个初步示意。以后的文章会再做更多介绍。

@interface QiRuntimeTableViewController ()

@property (nonatomic, copy) NSString *observeString;

@end

调用如下代码

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    NSLog(@"self class：%@", [self class]);
    NSLog(@"object_getClass：%@", object_getClass(self));
    [self addObserver:self forKeyPath:@"observeString" options:NSKeyValueObservingOptionNew context:nil];
    NSLog(@"self class：%@", [self class]);
    NSLog(@"object_getClass：%@", object_getClass(self));
}

上述代码的结果为：

self class：QiRuntimeTableViewController
object_getClass：QiRuntimeTableViewController

self class：QiRuntimeTableViewController
object_getClass：NSKVONotifying_QiRuntimeTableViewController

查看结果就会发现实例对象 self 的 isa 指针发生了改变。指向了运行时新创建的类 NSKVONotifying_QiRuntimeTableViewController，笔者认为这一步就是调用了 object_setClass(self, NSClassFromString(@"NSKVONotifying_QiRuntimeTableViewController"));

笔者就不在这里放置object_setClass的源码了，笔者在下方贴出了object_getClass 的相关源码，如有兴趣，大家可继续查看或下载runtime源码查看详情。
runtime源码下载地址：https://opensource.apple.com/tarballs/objc4/

三、object_getClass 相关源码

1. object_getClass 源码
Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

object_getClass 的源码的字面意思表明该函数用于获取指定对象的 isa 指针。具体的调用细节源码如下。

2. objc_class 结构体源码

如下代码表明 Class 类型是相当于是 objc_class *类型。

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

objc_class 结构体源码如下：

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

    class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }
    void setData(class_rw_t *newData) {
        bits.setData(newData);
    }

    void setInfo(uint32_t set) {
        ASSERT(isFuture()  ||  isRealized());
        data()->setFlags(set);
    }

    void clearInfo(uint32_t clear) {
        ASSERT(isFuture()  ||  isRealized());
        data()->clearFlags(clear);
    }
    // 省略若干代码.....
}
3. objc_object 结构体源码
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();
    
    uintptr_t isaBits() const;
    // 更多其他代码...
}
4. getIsa() 源码
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS

inline Class 
objc_object::getIsa() 
{
    if (fastpath(!isTaggedPointer())) return ISA();

    extern objc_class OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer;
    uintptr_t slot, ptr = (uintptr_t)this;
    Class cls;

    slot = (ptr >> _OBJC_TAG_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_SLOT_MASK;
    cls = objc_tag_classes[slot];
    if (slowpath(cls == (Class)&OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer)) {
        slot = (ptr >> _OBJC_TAG_EXT_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_EXT_SLOT_MASK;
        cls = objc_tag_ext_classes[slot];
    }
    return cls;
}
5. ISA() 源码
#if SUPPORT_NONPOINTER_ISA

inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    if (isa.nonpointer) {
        uintptr_t slot = isa.indexcls;
        return classForIndex((unsigned)slot);
    }
    return (Class)isa.bits;
#else
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
#endif
}

参考学习网址

[objc explain]: Classes and metaclasses
What is a meta-class in Objective-C?
Friday Q&A 2010-11-6: Creating Classes at Runtime in Objective-C
Objective-C Runtime 运行时之一：类与对象
Objc Runtime 总结
神经病院 Objective-C Runtime 入院第一天—— isa 和 Class

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