類的底層原理

這篇文件來探索類的底層

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類探索

一個自定義類的類名是咱們決定的，因此咱們想進行類探索，就得看看咱們定義的類，在底層是如何被定義的。

一、將OC代碼轉換成c++代碼

先準備一個自定義類DZPerson，在類中定義一個成員變量(_nick)，一個屬性(nameStr)。實現了一個方法(-saySomethine)和一個類方法(+sayHello)

@interface DZPerson : NSObject
{
    NSString *_nick;
}
@property (copy, nonatomic) NSString *nameStr;
@end

@implementation DZPerson
- (void)saySomething {
    NSLog(@"%s", __func__);
}

+ (void)sayHello {
    NSLog(@"%s", __func__);
}
@end
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在main中進行初始化。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        NSLog(@"Hello, World!");
        
        DZPerson *person = [DZPerson alloc];
    }
    return 0;
}
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使用終端，進入到main.m文件所在的路徑，使用clang命令，編譯main.m文件

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp
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輸出main.cpp，打開這個文件，在裏面進行搜索DZPerson，做爲線索的出發點：

typedef struct objc_object DZPerson;

⏬⏬⏬

struct DZPerson_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
	NSString *_nick;
};

⏬⏬⏬

struct NSObject_IMPL {
	Class isa;
};

⏬⏬⏬

typedef struct objc_class *Class;
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• 自定義類的類名是struct objc_object結構體的別名。
• 找到了一個struct DZPerson_IMPL結構體，包含兩個成員屬性：
  • 另外一個結構體struct NSObject_IMPL，經過名字中的字段，瞭解到這個應該是父類NSObject
  • 咱們定義的成員_nick
• 查看NSObject_IMPL結構體，裏面有一個成員isa，是Class類型。
• 最後在文件中找到Class是struct objc_class *結構體指針類型。

經過以上邏輯，咱們的目標轉移到struct objc_object和struct objc_class這兩個結構體上了。

二、struct objc_object & struct objc_class

看看這兩個結構體在源碼中的定義，代碼比較長，我只截獲了須要咱們研究的部分：

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:
    //這裏定義了一些函數，先省略
    ...
}

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);
    }
    //省略後續代碼
    ...
}
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• objc_object中只有一個成員：isa
• objc_class繼承自objc_object：
  • 第一個成員就是父類objc_object中的isa（蘋果的註釋仍是挺人性的）
  • superclass，字面意思很清楚，super類
  • cache，緩存相關信息
  • bits，裏面存放類的相關數據（成員、屬性、方法、協議等相關數據信息）
  • 後面還有不少函數，能夠自行去查看一下。（此處記錄bits的getter和setter函數，由於後面要用到）

經過以上的源碼查看和相關的簡要分析，咱們能夠確認自定義類在底層會被轉化成objc_class類型的結構體。實例對象在底層就是objc_object類型。經過下面的兩行源碼，能夠直接證實：

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;
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此時看文章的你可能會有個疑惑：objc_class繼承自objc_object，==那麼類也是對象？==

三、萬物皆對象

OC中類也是對象，如何證實呢？咱們知道，實例對象中的isa指向的是類，類中也有isa，咱們經過lldb來看看類的isa： 咱們以文章開頭的代碼爲例：

DZPerson *person = [DZPerson alloc];
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lldb執行截圖：

1. 打印person的內存狀況x/4gx perosn：首地址中的第一個值是person對象的isa。
2. 從person的isa中讀取類信息地址（經過一個系統定義好的宏，進行獲取）。
3. po獲得的值，也就是圖片中第一個紅框，打印是DZPerosn，地址是：0x0000000100002378
4. 再用與查看person內存相同的方式，產看獲得的0x0000000100002378的內存狀況，也就是查看DZPerson類的內存
5. 獲取DZPerson的isa，並po一下，打印的結果頁是DZPerson，可是地址和前面打印的地址不一樣。這個第二個DZPerosn是元類。
6. 繼續查看元類isa，打印出來的是NSObject，可是它不是NSObject類，而是NSObject的元類，也就是根元類。而根元類的isa指向仍是根元類

簡單來講，==實例對象isa指向類，類isa指向元類，元類isa指向根元類，根元類的isa指向根元類。==經過一張圖，能夠更好的理解isa的走位指向： 圖中虛線表明isa走位，實現表明superclass走位。

==所以：類是元類的實例對象，而元類是根元類的示例對象。因此說，類也是對象，萬物接對象==。

四、lldb調試打印類中的信息

接下來咱們用lldb來看看類中存儲的屬性、方法，前文說到這些信息都存儲在class_data_bits_t bits中，使用指針偏移的方式就能夠獲取到bits。 此處放一張objc_class的源碼截圖： 拿到class在內存中的首地址，分別加上屬性isa、superclass和cache佔用的內存大小，就能夠獲得bits的地址。

isa和superclass都是指針類型，因此分別佔用8字節。

那麼如今須要計算cache佔用多少字節，看看cache_t的源碼：

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;
    explicit_atomic<mask_t> _mask;
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;
    
    //省略靜態成員變量
    ...
#else
#error Unknown cache mask storage type.
#endif
    
#if __LP64__
    uint16_t _flags;
#endif
    uint16_t _occupied;

public:
    //省略後面的函數
    ...
}
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• 首先是編譯條件的公式#if和#elif，裏面都是有兩個成員變量，分別是指針類型和mask_t類型。指針佔用8個字節，mask_t是uint32_t的別名，也就是佔中4個字節。
• _flags和_occupied分別佔用2個字節，由於是uint16_t類型。
• 其他的就是靜態成員和函數，在結構體中的靜態成員和函數是不佔用結構體內存空間的。所以得出cache_t cache成員在結構體中佔用16字節

==那麼想要獲得class_data_bits_t bits的偏移量，就是isa+superclass+cache=8+8+16=32，轉換成十六進制就是20==

條件知足，咱們開始打印類中的信息：

• 打印類地址：直接獲取DZPerson的首地址

首地址的第一個元素就是類的isa，因此咱們直接以十六進制打印便可。

• 獲取bits，拿到首地址進行+20偏移，20是前面計算出來的（0x0000000100002398 = 0x0000000100002378 + 20）。而且進行強制類型轉換

• 調用class_rw_t *data() const函數（前文中，objc_class源碼中的函數），獲得地址，打印地址中的值：

• 接下來用class_rw_t中的methods()函數，能夠獲取到方法列表：

• list函數獲取列表的首地址，打印地址的值後，用get查看到類中的全部方法。經過下圖能看到類中定義的saySomething方法、屬性nameStr的setter和getter方法，還有一個系統生成的.cxx_destruct方法：

• 類中還定義了一個類方法+ (void)sayHello，在這裏是看不到的。由於類方法存在元類中。

經過上面的方式咱們就能夠產看到類中方法，也能夠證實，方法是存在類中。一樣，經過class_rw_t中的properties()能夠獲取到屬性、protocols()獲取協議。

成員變量存在ro中，經過函數ro()獲取：

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總結

1. 經過查看c++代碼，咱們找到了類的底層定義objc_class，而且知道類中也存在isa指針。
2. 經過isa走位圖，知道類也是對象，並推到出‘萬物皆對象’。
3. 經過lldb一步步看到類中的屬性、方法、協議以及成員在類中如何存儲的。

但願本文能對你有所幫組，若是有些的很差的地方，還請指出，謝謝！