OC對象的本質（下）—— 詳解isa&superclass指針

時間  2021-08-13
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OC對象的本質（上）：OC對象的底層實現原理git

OC對象的本質（中）：OC對象的種類
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isa指針

先總結一下咱們在對象的分類一文裏面分析過的問題，OC對象氛圍三類面試

instance對象，內部包含markdown

  • 成員變量
  • 特殊的成員變量isa指針

class對象，用來描述instance對象，內部包含app

  • isa指針
  • superclass指針
  • 屬性信息
  • 對象方法信息（-方法）
  • 協議信息
  • instance對象的成員變量的描述信息

meta-class對象，用來存放類方法，內部包含ide

  • isa指針
  • superclass指針
  • 類方法信息（+方法）

oc對象的分類以及內部結構

對一個類來講，它的instance、class、mete-class對象之間，必定是有某種聯繫的。假設這種聯繫不存在，咱們看看會碰到什麼問題。好比我調用一個instance對象的方法oop

[InstanceObj InstanceObjMethod];
複製代碼

它的底層是post

objc_msgSend(instanceObj, @sel_registerName("instanceObjMethod"));
複製代碼

也就是給instanceObj對象發消息。ui

在instance對象不跟外界關聯的狀況下，它內部只有一些成員變量信息，是不可能完成方法調用的，由於對象方法是存放在class對象裏面的，對class對象調用+方法的時候也是同樣，必須有辦法跟meta-class對象關聯起來，才能完成對+方法的調用。因此isa指針，就只它們之間的關聯。能夠經過下圖來理解isa的做用。spa

isa指針的做用

大體能夠概括爲

  • instance對象的isa指針指向class對象。當調用對象方法（-方法）時，經過instance的isa找到class，而後在class的方法列表裏面找到對應的實現進行調用。
  • class對象的isa指針指向meta-class對象。當調用類方法（+）方法時，經過class的isa找到meta-class，最後在meta-class的方法列表找到對應的實現進行調用。

那麼經過isa的橋接做用，我夢應該能更近一步地理解OC消息發送以及方法調用的過程了。

superclass指針

顯而易見，從字面意思，咱們就能知道，superclass就是父類的意思。 假定咱們有如下幾個類

@interface Person : NSObject
@end

@interface Student : Person
@end
複製代碼

咱們知道superclass指針存在於class對象和meta-class對象裏面。咱們根據接下來的圖示來闡述一下：

class的superclass指針

一個類的class對象裏面的superclass指針指向該類的父類的class對象 當Student的instance對象要調用Person的對象方法時，會先經過isa找到Student的class對象，而後經過這個class對象的superclass找到Person（Student的父類）的class對象，最後找到相應的對象方法（-方法）的實現進行調用

meta-class的superclass指針

一個類的meta-class裏面的superclass指針指向該類的父類的meta-class對象 當Student的class對象要調用Person的類方法時，會先經過isa找到Student的meta-class對象，而後經過這個meta-class對象的superclass找到Person（Student的父類）的meta-class對象，最後找到相應的類方法（+方法）的實現進行調用

isa、superclass總結

isa、superclass指針做用圖例 上圖來自蘋果官方，完整描述了isa、superclass指針的做用，爲了更加便於理解，咱們在後面的圖例中用Student代替subclass，Person代替superclass，NSObject代替rootclass。

  • instance的isa指向class
  • class的isa指向meta-class
  • meta-class的isa指向基類的meta-class
  • class的superclass指向父類的class，若是沒有父類，superclass指針爲nil
  • meta-class的superclass指向父類的meta-class,基類的meta-class的superclass指向基類的class

instance調用對象方法的軌跡 咱們以[student abc];爲例，student是Student類的實例對象,調用軌跡以下圖

對於student來講，並不知道abc方法在哪裏，惟一知道的就是能夠去它的class對象裏面找，

  • 因而先經過isa指針進入Student類的class對象，若是在其中找到了abc就直接進行調用，調用過程結束，
  • 沒找到的話，就經過class對象的superclass指針進入Student類的父類，也就是Person類的class對象，重複上一步的查找邏輯
  • 以此類推，一層一層往上尋找，若是最終到了基類，也就是NSObject類的class對象裏面，還沒找到的話，因爲它的superclass爲nil，最終就會碰到一個經典的報錯[ERROR: unrecognized selector sent to instance],調用軌跡結束

class調用類方法的軌跡 咱們以[Student abc];爲例調用軌跡圖以下

對與Student類來講，abc在哪也是不知道的，咱們知道類方法被規定放在meta-class對象裏面，因此

  • 首先，經過Student的class對象的isa指針找到其meta-class對象，而後在方法列表裏面尋找是否有abc，有的話就調用，調用邏輯結束。
  • 沒有的話，就經過meta-class對象的superclass指針找到Student的父類Person的meta-class對象，而後查找abc方法，找到就調用，結束調用軌跡
  • 沒有的話，就經過Person的meta-class對象的superclass指針，重複上一步的流程
  • 一次類推，經過meta-class對象的superclass指針，一層層往上查找
  • 若是到了基類（NSObject）的meta-class還沒可以找到abc，此時比較特殊，接下來的superclass指針會找到NSObject的class對象，你可能會奇怪，咱們調用一個類方法，怎麼跑到class對象裏面來了，先保留你的疑問，只需記住，蘋果確實是這麼設計的，此時會繼續在NSObject的class對象裏面，尋找abc，若是真的找到了abc，就會調用
  • 若是尚未找到，因爲此時的superclass是nil，最終系統將給出報錯

面試題 isa指針指向哪裏？

根據咱們上面的梳理和總結，咱們能夠得出結論

isa(of instance) --> isa(of class) --> isa(of meta-class)

下面咱們經過代碼來驗證一下

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>

@interface CLPerson : NSObject <NSCopying>

@end

@implementation CLPerson

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
        Class personClass = [CLPerson class];
        Class personMetaClass = object_getClass(personClass);
        NSLog(@"%p %p %p", person, personClass, personMetaClass);
    }
    return 0;
}
複製代碼

咱們在代碼中加入斷點，經過控制檯查看一下person的isa信息。可是貌似系統只給出了有限信息 還有個辦法，能夠右擊紅框中的isa，下拉菜單第一個有個打印功能Print Description of "xxx"，能夠獲得更爲詳細的輸出 看起來結果仍然被系統包裹了一層 若是你習慣直接在代碼上快捷操做，也能夠這麼作試試 但我仍是喜歡用LLDB來查看，便於比較，和複製數據。 經過p/x命令來打印指針，/後面是打印參數，x參數表示用16進制數輸出。由於咱們知道person這個instance的結構體的包含一個isa成員變量，person自己就是指針，因此能夠經過person->isa訪問isa的值。 代碼裏面，personClass是Person類的class對象，輸出結果顯示， person的isa = 0x001d8001000014d1 personClass = 0x00000001000014d0 它倆。。。並不相等！！！ 這是什麼狀況？不是說好了instance對象的isa指向class對象嘛？

其實在64位機器出現以前，instance對象 的isa確實是直接指向class對象的， 也就是
person->isa == personClass， 從64bit開始，isa須要進行一次爲運算，才能計算出真實的class對象地址，系統給咱們提供了一個ISA_MASK,這個能夠在objc4源碼裏面找到。我先直接貼出來

# if __arm64__
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
# define ISA_MAGIC_MASK 0x000003f000000001ULL
# define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
# define ISA_BITFIELD \ uintptr_t nonpointer : 1; \ uintptr_t has_assoc : 1; \ uintptr_t has_cxx_dtor : 1; \ uintptr_t shiftcls : 33; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000*/ \ uintptr_t magic : 6; \ uintptr_t weakly_referenced : 1; \ uintptr_t deallocating : 1; \ uintptr_t has_sidetable_rc : 1; \ uintptr_t extra_rc : 19
# define RC_ONE (1ULL<<45)
# define RC_HALF (1ULL<<18)

# elif __x86_64__
# define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
# define ISA_MAGIC_MASK 0x001f800000000001ULL
# define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
# define ISA_BITFIELD \ uintptr_t nonpointer : 1; \ uintptr_t has_assoc : 1; \ uintptr_t has_cxx_dtor : 1; \ uintptr_t shiftcls : 44; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x7fffffe00000*/ \ uintptr_t magic : 6; \ uintptr_t weakly_referenced : 1; \ uintptr_t deallocating : 1; \ uintptr_t has_sidetable_rc : 1; \ uintptr_t extra_rc : 8
# define RC_ONE (1ULL<<56)
# define RC_HALF (1ULL<<7)

# else
# error unknown architecture for packed isa
# endif
複製代碼

你們請看清這裏是分了arm64和x86_64的，分別對應的是移動設備開發和mac開發。個人代碼是一個mac命令行工程，因此咱們用x86的這個值來試一下 能夠看到，結果就顯而易見了。經過和ISA_MASK進行一次&運算，咱們獲得了personClass的地址。一樣，咱們來試一下personClass的isa指針。 結果我試圖經過personClass->isa先打印出其isa指針的時候，獲得了錯誤提示，告訴咱們說personClass的類型Class不是一個結構體，看不太明白，那就先查看一下Class的定義，typedef struct objc_class *Class;，而後在往下看一下objc_class的細節

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

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

} OBJC2_UNAVAILABLE;
複製代碼

雖然這個結構體裏面有isa指針，可是尾部的OBJC2_UNAVAILABLE;提示咱們，這已是過期的API了。 不過咱們在第一篇文章中，已經得出結論，知道class對象裏面第一個成員變量確實是一個isa指針，咱們能夠經過一個小技巧來處理這個問題

struct cl_objc_class {
    Class isa;
};

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
        Class personClass = [CLPerson class];
        struct cl_objc_class *personClass2 = (__bridge struct cl_objc_class *)(personClass);
        Class personMetaClass = object_getClass(personClass);
        NSLog(@"%p %p %p", person, personClass, personMetaClass);
    }
    return 0;
}
複製代碼

咱們自定義一個struct，包含一個isa指針，而後再借助這個結構體類型來讀取personClass裏面的內容，如上代碼，咱們用personClass2在來嘗試一次 ok，結果顯示，class對象的isa指針通過ISA_MASK轉換以後，獲得了正確的mete-class對象的地址。到此，上面的面試題相信你們已經能夠完整回答了。在用一個圖來總結一下就是

你會許還會問，那麼superclass指針呢，是否是也須要一個什麼mask轉換？答案是不須要的，能夠用上面相同的方法進行驗證，這裏不做贅述。總之isa指針稍微特殊一點點，特別記住一下關於ISA_MASK的細節就行。

深度窺探class/meta-class的內部結構----struct objc_class

在OC對象的本質（一）中，咱們得知了一個事實，在class對象中，存放了一個類的方法列表、屬性信息、協議信息、成員變量信息；在meta-class對象中，存放了類的類信息。可是尚未對其仔細驗證過。下面咱們就來研究一下這個問題。 由於class和meta-class的類型都是struct objc_class*,因此咱們問題的答案，就都在這個objc_class裏面。上面的段落咱們已經看了它的結構了，很惋惜是一個已經廢棄的API,因此咱們必須去最新的源碼裏面，去看一下它的實現。在objc4源碼裏面，咱們找到以下objc_class的實現

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() { 
        return bits.data();
    }
//下面是一大堆的方法
...
...
...
}
複製代碼

這裏的objc_class是一個C++的結構體，若是對C++不太熟的話，先不用過度糾結，能夠借用OC的類來理解就好了，它們的類似度很高，能夠有成員變臉，也能夠有方法，區別主要是一些成員變量的默認做用域不同。能夠看到objc_class繼承自objc_object，咱們能夠在源碼objc-private.h裏看一下objc_object的實現

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
//剩下的都是方法
...
...
...
}
複製代碼

看得出來，其實就是一個isa指針。因而和objc_class的內容融合一下，咱們能夠理解成下面的這個結構

struct objc_class {
    isa_t 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() { 
        return bits.data();
    }
//下面是一大堆的方法
...
...
...
}
複製代碼

很明顯，objc_class的內部，頭兩個成員分別是isa和superclass，跑不了。可是下面的好像不是咱們期待的內容，沒看到方法列表、屬性協議信息啥的呀。可是我門能夠看到這裏的第一個方法，返回一個class_rw_t *，看字面意思，class表明類，rw一般表明讀寫（readwrite），t一般指的是 表信息（table），也就是類的可讀寫信息。那麼咱們有理由懷疑這裏面確定有寶貝。進去看一看 果真，原來方法、屬性、協議信息都放在了這裏。同時，咱們還發現了一個class_ro_t *ro，字面就是隻讀表，類對象裏面有什麼信息是隻讀的呢？沒錯，成員變量信息，因而咱們在進去驗證一下 看上去推斷是對的，確實找到成員變量信息。注意一下，這裏的ivars是成員變量的描述信息，如名稱，類型等，只須要一份的，因此存在class對象裏面，成員變量的具體值是存在具體的instance對象裏面的，不要理解混了。

對於meta-class來講，結構上和class是同樣的，只不過有些內容可能用不到，例如屬性，協議列表。meta-class的類方法信息其實就放在咱們剛纔看到的那個方法列表裏面，沒錯。class對象的對象方法信息也正是放在這個方法列表裏的

還有一點就是，怎麼說呢，仍是看圖明白

途中咱們看出來，objc_class 有個成員變量bits，正是經過 bits & FAST_DATA_MASK，將objc_class 和它的可讀寫表關聯起來了。下面我引用大神的一張ppt總結一下struct objc_class 的結構

面試題解答

  • 對象的isa指針指向哪裏？
  1. instance對象的isa指針指向class對象
  2. class對象的isa指針指向meta-class對象
  3. meta-class對象的isa指針指向基類（也就是NSObject）的meta-class對象
  • OC的類信息存放在哪裏？
  1. 對象方法，屬性信息，成員變量信息，協議信息，存放在class對象中
  2. 類方法，存放在meta-class對象中
  3. 成員變量的具體值，存放在instance對象中

OC對象的本質（上）：OC對象的底層實現原理

OC對象的本質（中）：OC對象的種類

特別備註

本系列文章總結自MJ老師在騰訊課堂開設的OC底層原理課程，相關圖片素材均取自課程中的課件。

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