觸摸iOS底層：類和isa（二）——類、元類、根元類和isa走位圖

你們好，我是葉孤城，和我很是尊敬的大神同名。前一篇文章中，咱們知道了isa的存在、做用，以及類的底層本質是一個objc_object的結構體。可是也帶出了一個新的詞兒—— 元類。今兒個咱們就談談元類，上一篇文章中，那個經典的類結構圖是怎麼畫出來的。

沒錯，就是上面這幅圖。

元類

解釋元類以前，先說一個咱們熟悉的不能再熟悉的東西： 對象和類。 As we know , 對象是由類產生（準確的說：對象由類對象實例化），咱們前面說過：類也是一個objc_object，叫類對象。那麼 類對象 同理也是由一個 "類" 產生，那麼這個"類"就是 元類 。

當咱們再回顧這條線： obj -> LYPerson（類對象） ->LYPerson(元類) -> NSObject(根元類) -> NSObject(根根元類) 這就理解了爲何有元類，元類是幹什麼的，其實就是產生類對象的類。

void lgTestNSObject(){
    // Student實例對象
    Student *object1 = [[Student alloc] init];
    // Student類
    Class class1 = object_getClass(object1);
    // Student元類
    Class metaClass = object_getClass(class1);
    // NSObject 根元類
    Class rootMetaClass = object_getClass(metaClass);
    // NSObject 根根元類
    Class rootRootMetaClass = object_getClass(rootMetaClass);
    NSLog(@"\n%p 實例對象 \n%p 類 %@\n%p 元類 %@\n%p 根元類 %@\n%p 根根元類 %@",object1,class1,NSStringFromClass(class1),metaClass,NSStringFromClass(metaClass),rootMetaClass,NSStringFromClass(rootMetaClass),rootRootMetaClass,NSStringFromClass(rootRootMetaClass));
    
    NSLog(@"=> %p",object_getClass(rootRootMetaClass));
}
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總結：

1. 對象 的類是 類（對象） ；
2. 類（對象） 的類是 元類 ；和類同名
3. 元類 的類是 根元類 NSObject；
4. 根元類 的類是 本身 ,仍是NSObject。

如下若有說到類對象，其實就是類。

類對象

咱們開發中，一個類能夠alloc N個obj，類對象不是，在app的生命週期內，內存中只存在一份。咱們用兩種方式作個實驗:

第一種：分別打印類對象的地址

void lgTestClassNum(){
    Class class1 = [LYPerson class];
    Class class2 = [LYPerson alloc].class;
    Class class3 = object_getClass([LYPerson alloc]);
    
    NSLog(@"\n[LGPerson class]\t\t\t\t\t%p-\n[LGPerson alloc].class\t\t\t\t%p-\nobject_getClass([LGPerson alloc])\t%p-\n",class1,class2,class3);
}
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第二種：使用LLDB查看

擴展：接下來所會用到的LLDB調試命令

演示的object、class是我代碼裏的斷點處本身定義的

• // 查看變量object的內存地址，併產生一個lldb中的變量$0，代替object
  (lldb) p object // 這是一個對象	
  (Student *) $0 = 0x000000010061eb80
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• // 也是查看內容
  (lldb) po object	// 這是一個對象
  <Student: 0x10061eb80>
  (lldb) po class // 這是一個Class類型
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Student (lldb) po a // 這是一個int變量a 10

* ```
// 轉16進制
(lldb) p/x object // object的內容是地址
(Student *) $2 = 0x000000010061eb80
(lldb) p/x 10 // 10是一個十進制的數
(int) $3 = 0x0000000a
// 轉2進制
(lldb) p/t object
(Student *) $3 = 0b0000000000000000000000000000000100000000011000011110101110000000
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• // x 查看內存
  (lldb) x object
  0x100512ce0: 65 33 00 00 01 80 1d 00 00 00 00 00 00 00 00 00  e3..............
  0x100512cf0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00  ................
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• // x/[d]gx 查看內存分佈，d表示查看幾塊，一塊是8字節
    
  (lldb) x/gx object
  0x100512ce0: 0x001d800100003365
  (lldb) x/4gx object
  0x100512ce0: 0x001d800100003365 0x0000000000000000 
  0x100512cf0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
  (lldb) x/8gx object
  0x100512ce0: 0x001d800100003365 0x0000000000000000
  0x100512cf0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
  0x100512d00: 0x0000000000000000 0x1000000010050b0e
  0x100512d10: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
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• // 咱們不只能夠查看變量，也能夠直接查看內存地址
  (lldb) po object
  <Student: 0x10046dba0>
  // 根據得到的內存地址，查看內存分佈
  (lldb) x/4gx 0x10046dba0
  0x10046dba0: 0x001d800100003365 0x0000000000000000 
  0x10046dbb0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
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  0x10046dba0就是首地址，內存分佈也是從首地址開始分配

使用lldb驗證上面的class一、class二、class3是同一個類對象

結論：內存地址+內容都是LYPerson，OK，沒有疑問了，類對象只有一個。

好，問題來了

元類在內存中是否是也只有一個？

類對象只有一個，類對象的類元類確定也只有一個。

NSObject在內存中也有一個？

LYPerson 和 LYAnimal 均是繼承NSObject的自定義類，class一、class2分別是他們的元類，class十一、class22則分別是他們的根元類，也就是他們元類的類，都是NSOBject，內存地址也是同樣的，

根元類NSObject的元類的元類的......是什麼樣

這個咱們使用LLDB類查看，OC代碼每次只能運行一次，咱們的LLDB能夠盡情的「追根溯源」

咱們從根元類開始看

一、根元類NSObject 後面的根根元類仍是NSObject ，內存地址同樣；

二、根根元類NSObject 後面的元類仍是本身，內存地址同樣；

因此咱們知道：

• 根元類NSObject在內存中只有一份；
• 根元類NSObject的元類——根根元類NSObject天然也是、也只能有一份。

根據目前咱們掌握的知識，咱們作一個isa畫像，對，仍是前一篇文章末尾的那個圖

自定義類的子類isa鏈是否是和自定義類同樣？

前面咱們一直在講直接繼承於NSObject的子類，若是LYPerson又派生了Student類呢？

同理，咱們能夠驗證一番：

準備一個繼承於LYPerson的子類Student

#import "LYPerson.h"

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface Student : LYPerson

@end

NS_ASSUME_NONNULL_END
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仍是上面的那個isa指向鏈圖：

咱們分析過runtime源碼：isa是一個Class類型，都是Class是一個objc_class的結構體指針。

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;			// isa是從objc_object繼承而來，因此objc_class與生自帶isa
    Class superclass;	// 重點在這：這個就是標記繼承於哪一個類。Student : LYPerson : NSObject
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
		.
		.
		.
		.
}
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因此Class的isa指向的類對象、元類、根元類都是objc_class；因此說，從類對象開始，不光有isa這條線，還有一般所認識的「繼承」着一條主線。類就是個雙主演的電影：isa和superClass。

因此這張圖咱們又變了一下，加上「繼承」這條主線：用實線表示繼承，由於NSOBject在內存中只有一份，因此咱們只保留一個NSObject

這張圖仍是殘缺的，沒有NSObject。NSObject是根類，根類上面沒的繼承了，是nil

而且，NSObject類對象和他的元類不是同一個

NSObject的元類已是根元類！，因此上面的圖，咱們整理一下，去掉標記的person、student，將NSObject元類合併，整理後以下圖所示：

事情並無結束，根元類NSObject是個objc_class,他的superClass指向了哪裏？

根元類NSObject的superClass是什麼？

看完圖確定知道他指向的是根類NSObject，此處僞裝不知道，咱們來找一找。

祭上lldb

咱們經過x/4gx 查看根元類的內存分佈，第8到第16個字節是superclass。superClass就是NSObject類對象 ，內存地址都是0x0000000100334140

因此，咱們最終得出了這麼一個類的isa和繼承關係的走位圖

問題：爲何lldb 輸出的第二個內存塊0x0000000100334140是superClass？

首先 ，object_class是一個結構體，咱們以前專門談過結構體的內存對齊，咱們知道，結構體的內存分配是按照成員順序，superClass在結構體內的位置排在第二位，第一位是從objc_object繼承的isa，isa佔8個字節，superClass和isa同樣，也佔8個字節，因此，咱們從第二個內存快

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;		//  佔8個字節，   0～7		
    Class superclass;	// 佔8個字節，	8 ～ 15
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
		.
		.
		.
		.
}
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因此，紅色區域是superClass