OC底層-Class的本質

時間 2020-07-02

標籤底層 class 本質简体版

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Class的本質

咱們知道無論是類對象仍是元類對象，類型都是Class，class和mete-class的底層都是objc_class結構體的指針，內存中就是結構體，本章來探尋Class的本質。c++

Class objectClass = [NSObject class];
 Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);

複製代碼

點擊進入Class的內部咱們能夠發現：bash

typedef struct objc_class *Class;


複製代碼

Class對象實際上是一個指向objc_class結構體的指針。所以咱們能夠說類對象或元類對象在內存中其實就是以objc_class結構體的形式存在的。函數

咱們來到objc_class內部，能夠看到這段在底層原理中常常出現的代碼。ui

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;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */
複製代碼

這部分代碼相信在文章中很常見，可是OBJC2_UNAVAILABLE,說明這些代碼已經不在使用了。那麼目前objc_class的結構是什麼樣的呢？咱們經過objc源碼中去查找objc_class結構體的內容atom

咱們發現這個結構體繼承 objc_object 而且結構體內有一些函數，由於這是c++結構體，在c上作了擴展，所以結構體中能夠包含函數。咱們來到objc_object內，截取部分代碼spa

咱們發現objc_object中有一個isa指針，那麼objc_class繼承objc_object，也就一樣擁有一個isa指針3d

那麼咱們以前瞭解到的，類中存儲的類的成員變量信息，實例方法，屬性名等這些信息在哪裏呢。咱們來到class_rw_t中，截取部分代碼，咱們發現class_rw_t中存儲着方法列表，屬性列表，協議列表等內容。指針

而class_rw_t是經過bits調用data方法得來的，咱們來到data方法內部實現。咱們能夠看到，data函數內部僅僅對bits進行&FAST_DATA_MASK操做

而成員變量信息則是存儲在class_ro_t內部中的，咱們來到class_ro_t內查看。

疑問：如何證實上述內容是正確的？

咱們能夠自定義一個結構體，若是咱們本身寫的結構和objc_class真實結構是同樣的，那麼當咱們強制轉化的時候，就會一一對應的賦值。此時咱們就能夠拿到結構體內部的信息。code

下列代碼是咱們仿照objc_class結構體，提取其中須要使用到的信息，自定義的一個結構體。cdn

#import <Foundation/Foundation.h>

#ifndef XXClassInfo_h
#define XXClassInfo_h

# if __arm64__
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
# define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
# endif

#if __LP64__
typedef uint32_t mask_t;
#else
typedef uint16_t mask_t;
#endif
typedef uintptr_t cache_key_t;

struct bucket_t {
    cache_key_t _key;
    IMP _imp;
};

struct cache_t {
    bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;
};

struct entsize_list_tt {
    uint32_t entsizeAndFlags;
    uint32_t count;
};

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
};

struct method_list_t : entsize_list_tt {
    method_t first;
};

struct ivar_t {
    int32_t *offset;
    const char *name;
    const char *type;
    uint32_t alignment_raw;
    uint32_t size;
};

struct ivar_list_t : entsize_list_tt {
    ivar_t first;
};

struct property_t {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

struct property_list_t : entsize_list_tt {
    property_t first;
};

struct chained_property_list {
    chained_property_list *next;
    uint32_t count;
    property_t list[0];
};

typedef uintptr_t protocol_ref_t;
struct protocol_list_t {
    uintptr_t count;
    protocol_ref_t list[0];
};

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;  // instance對象佔用的內存空間
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif
    const uint8_t * ivarLayout;
    const char * name;  // 類名
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;  // 成員變量列表
    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;
};

struct class_rw_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t version;
    const class_ro_t *ro;
    method_list_t * methods;    // 方法列表
    property_list_t *properties;    // 屬性列表
    const protocol_list_t * protocols;  // 協議列表
    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;
    char *demangledName;
};

#define FAST_DATA_MASK 0x00007ffffffffff8UL
struct class_data_bits_t {
    uintptr_t bits;
public:
    class_rw_t* data() { // 提供data()方法進行 & FAST_DATA_MASK 操做
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
};

/* OC對象 */
struct xx_objc_object {
    void *isa;
};

/* 類對象 */
struct xx_objc_class : xx_objc_object {
    Class superclass;
    cache_t cache;
    class_data_bits_t bits;
public:
    class_rw_t* data() {
        return bits.data();
    }
    
    xx_objc_class* metaClass() { // 提供metaClass函數，獲取元類對象
// 上一篇咱們講解過，isa指針須要通過一次 & ISA_MASK操做以後才獲得真正的地址
        return (xx_objc_class *)((long long)isa & ISA_MASK);
    }
};

#endif /* XXClassInfo_h */


複製代碼

接下來咱們將本身定義的類強制轉化爲咱們自定義的精簡的class結構體類型。

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

/* Person */
@interface Person : NSObject <NSCopying>
{
    @public
    int _age;
}
@property (nonatomic, assign) int height;
- (void)personMethod;
+ (void)personClassMethod;
@end

@implementation Person
- (void)personMethod {}
+ (void)personClassMethod {}
@end

/* Student */
@interface Student : Person <NSCoding>
{
    @public
    int _no;
}

@property (nonatomic, assign) int score;
- (void)studentMethod;
+ (void)studentClassMethod;
@end

@implementation Student
- (void)studentMethod {}
+ (void)studentClassMethod {}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
        Person *person = [[Person alloc] init];
        Student *student = [[Student alloc] init];
        
        xx_objc_class *objectClass = (__bridge xx_objc_class *)[object class];
        xx_objc_class *personClass = (__bridge xx_objc_class *)[person class];
        xx_objc_class *studentClass = (__bridge xx_objc_class *)[student class];
        
        xx_objc_class *objectMetaClass = objectClass->metaClass();
        xx_objc_class *personMetaClass = personClass->metaClass();
        xx_objc_class *studentMetaClass = studentClass->metaClass();
        
        class_rw_t *objectClassData = objectClass->data();
        class_rw_t *personClassData = personClass->data();
        class_rw_t *studentClassData = studentClass->data();
        
        class_rw_t *objectMetaClassData = objectMetaClass->data();
        class_rw_t *personMetaClassData = personMetaClass->data();
        class_rw_t *studentMetaClassData = studentMetaClass->data();

        // 0x00007ffffffffff8
        NSLog(@"%p %p %p %p %p %p",  objectClassData, personClassData, studentClassData,
              objectMetaClassData, personMetaClassData, studentMetaClassData);

    return 0;
}

複製代碼

經過打斷點，咱們能夠看到class內部信息。

咱們借用一張很經典的圖來分析isa指針和superclass指針的指向：

實例instance對象

首先咱們來看instance對象，instance對象中存儲着isa指針和其餘成員變量，而且instance對象的isa指針是指向其類對象地址的。咱們首先分析上述代碼中咱們建立的object，person，student三個instance對象與其相對應的類對象objectClass，personClass，studentClass。

從上圖中咱們能夠發現instance對象中確實存儲了isa指針和其成員變量，同時將instance對象的isa指針通過&運算以後計算出的地址確實是其相應類對象的內存地址。由此咱們證實isa，superclass指向圖中的1，2，3號線。

Class類對象

接着咱們來看Class對象，一樣經過上一篇文章，咱們明確class對象中存儲着isa指針，superclass指針，以及類的屬性信息，類的成員變量信息，類的對象方法，和類的協議信息，而經過上面對object源碼的分析，咱們知道這些信息存儲在class對象的class_rw_t中，咱們經過強制轉化來窺探其中的內容。以下圖

上圖中咱們經過模擬對person類對象調用.data函數，即對bits進行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)運算，並轉化爲class_rw_t。即上圖中的personClassData。其中咱們發現成員變量信息，對象方法，屬性等信息只顯示first第一個，若是想要拿到更多的須要經過代碼將指針後移獲取。而上圖中的instaceSize = 16也同person對象中isa指針8個字節+_age4個字節+_height4個字節相對應起來。這裏不在展開對objectClassData及studentClassData進行分析，基本內容同personClassData相同。

那麼類對象中的isa指針和superclass指針的指向是否如那張經典的圖示呢？咱們來驗證一下。

經過上圖中的內存地址的分析，由此咱們證實isa，superclass指向圖中，isa指針的4，5，6號線，以及superclass指針的10，11，12號線。

meta-class對象

最後咱們來看meta-class元類對象，上文提到meta-class中存儲着isa指針，superclass指針，以及類的類方法信息。同時咱們知道meta-class元類對象與class類對象，具備相同的結構，只不過存儲的信息不一樣，而且元類對象的isa指針指向基類的元類對象，基類的元類對象的isa指針指向本身。元類對象的superclass指針指向其父類的元類對象，基類的元類對象的superclass指針指向其類對象。

與class對象相同，咱們一樣經過模擬對person元類對象調用.data函數，即對bits進行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)運算，並轉化爲class_rw_t。