iOS底層 -- 類的本質分析

1.本文概述

本文旨在經過 類&元類的建立時機， 類的結構及相關屬性， 添加的類信息等分析類在內存中的實際存在，並分享一些關於類的經典面試題

2.類&元類的建立時機

上文說到，對象經過isa和類關聯，同個類型的對象能夠屢次建立，因此對象能夠有多個。那麼類呢，根據開發經驗，很容易得出類在內存中只有一個，那究竟要怎麼實錘呢。提供驗證方式：

• command + b ,經過machoView查看

新建一個項目，並建立一個CJPerson類，在Products目錄下.app結尾的文件尚未編譯是報紅的，

command + b下變黑，Show In Finder後顯示包內容，把可執行文件拖入machoView，

machoView中顯示以下

能夠看到，在DATA段的_objc_classrefs內已經加載了CJPerson類，並指定了內存地址，說明類的建立是在編譯時期，而且只有一份。

元類也是在編譯期，由系統建立的，在個人理解，元類的做用是:
1.承接isa走向
2.緩存類方法
總以爲蘋果大費周章引入元類的概念，還有其餘的做用，至因而什麼，但願能夠指導我下
複製代碼

2.類的本質

在main.m下初始化一個CJPerson對象

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {        
        CJPerson * person = [[CJPerson alloc]init];        
        NSLog(@"%@",person.class);    
    }    
    return 0;
}複製代碼

用clang編譯下main.m

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp複製代碼

打開編譯後的main.cpp文件，直接來到最後面，會看到初始化時候是調用objc_getClass

int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool;
         CJPerson * person = ((CJPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((CJPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("CJPerson"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_fg_3995175d2_v6g81lknk8jdwh0000gn_T_main_e6fa2f_mi_0,((Class (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)person, sel_registerName("class")));
    }    
    return 0;
}複製代碼

在文件內搜索objc_getClass，看到

__OBJC_RW_DLLIMPORT struct objc_class *objc_getClass(const char *);複製代碼

再搜索objc_class，找到重定義

typedef struct objc_class *Class;複製代碼

原來類是objc_class重定義的，感受這個objc_class很熟悉，好像在objc源碼裏面有看到過，那就搜索試試

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();
    }
    ...
}複製代碼

順便貼出objc_object的結構

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};複製代碼

• objc_class結構體內ISA是被註釋的，不表明結構體內不包含它，由於objc_class繼承objc_object，因此ISA是來自於父類
  
• 一樣使用clang編譯下NSObject能夠獲得objc_object
• isa的結構是isa_t，但是這裏使用class接收是能夠的，內部經過shift_class獲得class

總結：類的真正類型爲objc_class,繼承於objc_object(也就是NSObject的底層結構),說明萬物皆對象，類也是一個對象，CJPerson嚴格來講是類對象

3.類的數據結構

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
}複製代碼

根據objc_class結構體能夠清楚看到，類有4個屬性，分別是isa，superclass，cache，bits

1.Class isa

isa在(iOS底層-一應俱全的isa)中已經分析過了，佔有8個字節，只是這裏的isa是指向元類

2.Class superclass

superclass就是指向的父類

typedef struct objc_class *Class;
複製代碼

superclass的結構一樣是objc_class，由於它是結構體指針，佔有8個字節

3.cache_t cache

cache是方法緩存,方法緩存涉及到方法查找流程，緩存策略，動態擴容等，下一章詳細說明，先看下cache_t和bucket_t結構

struct cache_t {
    struct bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;
}複製代碼

struct bucket_t {
private:
#if __arm64__
    MethodCacheIMP _imp;
    cache_key_t _key;
#else
    cache_key_t _key;
    MethodCacheIMP _imp;
#endif
...
}複製代碼

• buckets是裝方法的桶子，裏面放着方式實現imp，根據方法編號sel生成的key

• mask是擴容因子，決定擴容的時機

• occupied是當前佔用的容量

• bucket_t 是結構體指針，佔用8個字節，mask_t就是int，佔用4個字節，因此mask和occupied各佔4個字節

• cache_t是個結構體，結構體大小是內部全部大小的和，因此cache_t佔有16個字節

4.class_data_bits_t bits

bits是數據存放的地方，bits裏面有data，data是從macho裏面讀取的class_rw_t

class_rw_t *data() {
    return bits.data();
}複製代碼

struct class_rw_t {
...
    const class_ro_t *ro;
    method_array_t methods;//方法列表
    property_array_t properties;//屬性列表
    protocol_array_t protocols;//協議列表
...
}複製代碼

class_rw_t有方法列表，屬性列表，協議列表等等

class_rw_t裏面有個class_ro_t

struct class_ro_t {
    ..
    method_list_t * baseMethodList;//方法列表
    protocol_list_t * baseProtocols;//協議列表
    const ivar_list_t * ivars;//實例變量列表
    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;//屬性列表
    method_list_t *baseMethods() const {
        return baseMethodList;
    }
};複製代碼

class_ro_t也有方法列表，屬性列表，協議列表等，可是多了ivar_list_t實例變量列表。下面探索下二者等區別

4.類添加的屬性方法

類中添加實例變量sex，屬性age，對象方法work，類方法play

@interface CJPerson : NSObject{
    NSString * sex;
}
@property (nonatomic , copy , readonly) NSString * age;

- (void)work;
+ (void)play;複製代碼

object_getClass輸出下類對象

CJPerson * person = [CJPerson alloc];
Class cls = object_getClass(person);         
NSLog(@"%@",cls);複製代碼

x/4gx打印cls的內存地址以下：

經過類的數據結構分析，bits位於ISA，superclass，cache以後，這三者分別是8，8，16字節，根據內存偏移，bits在isa地址後的32字節，

0x100001218 + 32字節 = 0x100001238複製代碼

po和p直接打印都不行，那麼須要用class_data_bits_t類型強轉打印

取出bits內的class_rw_t

class_rw_t的methods

看到methods中有3個方法，分別輸出下

• .cxx_destruct 系統添加c++的析構方法

• work 對象方法

• age 屬性生成的age方法

• method_t中的types，在蘋果開發者文檔中有詳細說明

結論：有對象方法work，竟然沒有類方法play

class_rw_t的properties

如法炮製，輸出下屬性列表properties

結論：符合預期，只有一個添加的age屬性

那繼續看下class_ro_t

class_ro_t的ivar_list_t

結論：ivar_list_t中有添加的實例變量sex，還有一個_age，這也符合常規認知，屬性在底層會生成帶下劃線的實例變量

class_ro_t的baseMethodList

結論：和class_rw_t中的methods一致

class_ro_t的baseProperties

結論：和class_rw_t中的properties一致

搜索疑點

目前添加的實例變量，屬性，對象方法都在內存中尋找到了，惟獨缺乏類方法，不過根據經驗能夠知道，類方法是緩存在元類中，那嘗試去元類搜索

經過isa_mask找到元類，而後一步步找到baseMethodList，果真在其中找到類方法play

結論

• 成員變量存放在class_ro_t中的ivar_list_t
• 屬性在class_rw_t中的property_array_t 和class_ro_t中的的property_list_t都存着一份，而且會生成實例變量，和對應的方法
• 方法在class_rw_t中的method_array_t 和class_ro_t中的的method_list_t都存着一份
• 對象方法存放在類裏面
• 類方法存放在元類裏面

class_ro_t和class_rw_t內容大部分相同的緣由：

class_ro_t存儲了當前類在編譯期就已經肯定的 屬性 、 方法 以及 遵循的協議， class_rw_t 是在運行時才肯定，它會先將 class_ro_t 的內容拷貝過去，而後再將當前類的分類的這些屬性、方法等拷貝到其中。 class_rw_t 是 class_ro_t 的超集。

5.類的面試題

這是一道比較經典的面試題,CJPerson繼承NSObject

BOOL re1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];       //        
BOOL re2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];     //        
BOOL re3 = [(id)[CJPerson class] isKindOfClass:[CJPerson class]];       //        
BOOL re4 = [(id)[CJPerson class] isMemberOfClass:[CJPerson class]];     //        
NSLog(@"%hhd%hhd%hhd%hhd",re1,re2,re3,re4);      

  
BOOL re5 = [(id)[NSObject alloc] isKindOfClass:[NSObject class]];       //        
BOOL re6 = [(id)[NSObject alloc] isMemberOfClass:[NSObject class]];     //        
BOOL re7 = [(id)[CJPerson alloc] isKindOfClass:[CJPerson class]];       //        
BOOL re8 = [(id)[CJPerson alloc] isMemberOfClass:[CJPerson class]];     //
NSLog(@"%hhd%hhd%hhd%hhd",re5,re6,re7,re8);複製代碼

輸出爲1000，1111

re1是NSObject調用類方法isKindOfClass

+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = object_getClass((id)self); tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}複製代碼

遞歸查找NSObject的元類是否存在，存在就繼續找元類的父類，直到根元類指向NSObject的時候，返回YES複製代碼

re2是NSObject調用類方法isMemberOfClass

+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return object_getClass((id)self) == cls;
}複製代碼

只對比一次，NSObject的元類是否等於NSObject，返回NO複製代碼

re3是CJPerson調用類方法isKindOfClass

第一步就到CJPerson元類，而後一直遞歸下去，不會回到CJPerson類，返回NO複製代碼

re4是CJPerson調用類方法isMemberOfClass

只對比一次CJPerson元類和CJPerson類，返回NO複製代碼

re5是NSObject對象調用對象方法isKindOfClass

- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls { 
   for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}複製代碼

遞歸查找對象的父類是否等於NSObject，總有一次等於NSObject，返回YES複製代碼

re6是NSObject對象調用對象方法isMemberOfClass

- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return [self class] == cls;
}複製代碼

只對比一次，NSObject對象的類是否等於NSObject，恰好繼承關係知足複製代碼

re7是CJPerson對象調用對象方法isKindOfClass

遞歸查找CJPerson對象的類是否等於CJPerson，第一次就知足繼承關係複製代碼

re8是CJPerson對象調用對象方法isMemberOfClass

只對比一次，CJPerson對象的類是否等於CJPerson，恰好繼承關係知足複製代碼

寫在最後

以上就是關於類的探索，下一章是cache_t流程分析引出消息發送流程，後續繼續更新類的底層結構，block，鎖，多線程等底層探索，還有應用程序加載，啓動優化，內存優化等相關知識點，敬請關注。