Objective-C（八）對象的本質及分類

本文是Objective-C系列的第8篇，主要講述OC對象的底層結構，以及分類：實例對象、類對象、元類對象。

• Objective-C（七）對象內存分析
• Objective-C（八）對象的本質及分類
• Objective-C（九）KVC 與 KVO
• Objective-C（十）Category
• Objective-C（十一）load 和 initialize
• Objective-C（十二）關聯對象

在上一篇Objective-C（七）對象內存分析分析後，咱們得知了一個類在內存中的存儲。

可是，咱們只分析了類的成員變量和屬性，咱們知道，一個OC對象，還包括方法、協議等極其重要的信息，那麼它們在哪裏，又是如何存儲，如何用的呢？

本篇在此進一步分析Objective-C類體系的分類及其在內存中的完整分佈。

爲此，咱們先要進行一些準備工做。

1、準備

1.1 對象的分類

Objective-C中的對象，簡稱OC對象，主要能夠分爲3種：

• instance對象（實例對象）

• class對象（類對象）

• meta-class對象（元類對象）

咱們針對OC中對象分爲三種進行了測試，測試結果以下：

從上圖咱們能夠獲得如下結論：

• 實例對象能夠有多個：每alloc一個對象，就會建立一個實例對象；
• 類對象只能有一個：不一樣實例對象的類對象爲同一個；
• 元類對象只能有一個：不一樣實例對象（類對象）的元類對象只有一個；

那麼測試代碼中的幾個方法，下面也簡要說明下，部分截取源碼項目-BFOCClass分類-01。

1.1.1 [NSObject class]

在NSObject.mm中：

+ (Class)class {
    return self;
}
複製代碼

返回類對象（元類對象）自己。

因此，[[[NSObject class] class] class] 不管調用多少次class，其返回都是NSObject class對象。

1.1.2 [person1 class]

返回實例對象的類對象

- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}
複製代碼

由（2）中可知，

• [person1 class]：返回person1中isa指向的對象，就是BFPerson class對象；

1.1.3 objc_getClass

該方法與object_getClass從方法名看極其類似。

• 參數：字符串類名；
• 返回：對應的類對象。

Class objc_getClass(const char *aClassName)
{
    if (!aClassName) return Nil;
    // NO unconnected, YES class handler
    return look_up_class(aClassName, NO, YES);
}
複製代碼

1.1.4 object_getClass

Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}
複製代碼

返回傳入obj中isa所指向的對象，傳入的obj多是instance對象、class對象、meta-class對象

其返回值對應爲：

a) 若是是instance對象，返回class對象

b) 若是是class對象，返回meta-class對象

c) 若是是meta-class對象，返回NSObject（基類）的meta-class對象

因此上面測試中：

• object_getClass(person1)：返回即class對象；

• object_getClass(personClass5)：返回即meta-class對象；

1.1.5 class_isMetaClass

返回是否爲meta-class對象。

1.2 一些從源碼來的結構體

咱們會從源碼摘抄一部分結構體，用來進行後面的論證。

1.2.1 NSObject

NSObject從源碼中獲得，其第一個成員變量爲isa，該Class結構體第一個成員變量名稱也是isa。

isa裏則包含了（元）類信息的存放地址。

1.2.2 class_rw_t

class_rw_t、class_ro_t均是存放類中信息的結構體，包括成員變量、屬性列表、協議列表及方法列表，其具體以下：

目前，咱們class_ro_t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則是在運行時，runtime從新加載佈局的當前類的屬性、方法和協議等。

1.2.3 method_t

• method_t是 方法最底層的結構。
• method_list_t
  • 方法列表，一維數組
  • 內部存放method_t
  • class_ro_t中的成員變量。
• method_array_t
• 一樣是方法列表，可是是二維數組
• 內部存放method_t
• class_rw_t中的成員變量;

三者的關係以下圖：

與method相似，property、protocol的相似。

至於爲何會有一維和二維數組，後續文章會詳述該問題。

1.2.4 property_t

property_array_t 與property_list_t的結構與上面的method中的數組相似，分別是二維、一維數組。

struct property_t {
    const char *name;  		 //屬性名
    const char *attributes;  //字符串，代表了該屬性的特性
};
複製代碼

假如屬性名爲name，類型爲NSString，那麼對應的attributes：T@"NSString",C,N,V_name

1.2.5 protocol_t

protocol_array_t、protocol_list_t分別是存放protocol_t的二維及一維數組。

相似的，咱們關注protocol_t結構體：

struct protocol_t : objc_object {
    const char *mangledName;
    struct protocol_list_t *protocols;
    method_list_t *instanceMethods;
    method_list_t *classMethods;
    method_list_t *optionalInstanceMethods;
    method_list_t *optionalClassMethods;
    property_list_t *instanceProperties;
    uint32_t size;   // sizeof(protocol_t)
    uint32_t flags;
    // Fields below this point are not always present on disk.
    const char **_extendedMethodTypes;
    const char *_demangledName;
    property_list_t *_classProperties;
};
複製代碼

1.2.6 ivar_t

咱們發現，針對成員變量，只有ivar_list_t，而沒有ivar_array_t這樣的結構。

從這裏咱們能夠知道，就算是runtime，也沒法在運行時往類中添加成員變量。

struct ivar_t {
    int32_t *offset;
    const char *name;
    const char *type;
    // alignment is sometimes -1; use alignment() instead
    uint32_t alignment_raw;
    uint32_t size;
};
複製代碼

1.3 NSObject實例對象的內存

咱們已經對NSObject實例對象的內存結構至關熟悉了。咱們再闡述如下觀點：

• NSObject實例對象內存中有且只有一個變量爲isa，isa指向NSObject的class對象；

下面，咱們針對編譯期的isa，結合源碼，咱們獲得以下：

運行期的isa：

2、對象的內存存儲

上面，咱們作了一些準備工做，瞭解了NSObject如何存儲各類各樣信息的結構體及存儲在什麼地方。

下面咱們將會針對，三種類型作一個簡單的描述。

2.1 instance對象

其內存佈局以下：

instance對象在內存中存儲的信息有：

• isa指針
• 其餘成員變量

2.2 class對象

class對象在內存中存儲的信息主要包括

• isa指針
• superclass指針
• 類的對象方法信息（instance method）
• 類的屬性信息（property）
• 類的協議信息（protocol）
• 類的成員變量信息（ivar）

2.3 meta-class對象

meta-class對象和class對象的內存結構是同樣的，可是用途不同，在內存中存儲的信息主要包括

• isa指針
• superclass指針
• 類的類方法信息（class method）
• 其餘包括屬性、協議、成員變量均爲NULL

3、isa和superclass

isa在平時開發中不多使用，可是相信不少iOS開發者並不陌生。

在前面瞭解了NSObject、各類結構體及對象三大分類以後，蘋果爲咱們提供了的Cocoa/Cocoa Touch中，類蔟體系的創建依賴兩個指針：isa和superclass。那麼又是如何串聯的？

橫向聯繫：isa的做用就是，將某一個類的instance對象、class對象、meta-class對象創建了橫向聯繫，爲查找對象存儲各種信息提供指引。

縱向聯繫：superclass則是面嚮對象語言中最爲重要的特性——繼承的體現，它體現的是類與類之間的聯繫，即爲類圖中創建了縱向聯繫。

請注意區分：一個類各類對象之間的聯繫，以及不一樣類之間的聯繫！

3.1 isa

3.1.1 isa指針

3.1.2 ISA_MASK

咱們爲了驗證該結論，在真機設備上，運行項目-BFOCClass分類-01，嘗試獲取了BFPerson對象，並打印類相關地址：

BFPerson instance - 0x12fd1f570 0x12fd366e0
BFPerson class - 0x100091e28 0x100091e28 0x100091e28 0x100091e28 0x100091e28 0
BFPerson meta class - 0x100091e00 1 0x100091e28 0
(lldb) x/2xw 0x12fd1f570
0x12fd1f570: 0x00091e2d 0x000001a1
複製代碼

從上面打印咱們得知：

• person1實例對象的地址爲0x12fd1f570
• person1對象地址起始的8個字節，就是isa，此處爲：0x1a100091e2d
• BFPerson class 地址爲0x100091e28不等於0x1a100091e2d
• 0x1a100091e2d(isa) & 0x0000000ffffffff8(ISA_MASK) = 0x100091e28

3.2 superclass

3.2.1 class對象

3.2.2 meta-class對象

3.3 類圖體系

據此，isa和superclass聯手織起的下面這張類圖：

3.3.1 聯繫

• isa指向

  • instance的isa指向class
  • class的isa指向meta-class
  • meta-class的isa指向基類的meta-class

• superclass指向

  • 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

3.3.2 方法調用

1. instance調用對象方法的軌跡 isa找到class，方法不存在，就經過superclass找父類
2. class調用類方法的軌跡 isa找meta-class，方法不存在，就經過superclass找父類

代碼參考BFOCClass分類-01

繼承關係：BFStudent->BFPerson->NSObject

3.3.2.1 狀況1

BFStudent *stu = [[BFStudent alloc] init];
[stu test];
複製代碼

• BFStudent實現-(void)test;，調用BFStudent的實現方法；

• BFStudent未實現-(void)test;，若BFPerson實現，調用BFPerson實現；

• BFStudent和BFPerson均未實現，NSObject若實現，調用NSObject實現；

  • 以上都未實現，代碼是不能直接調用[stu test];，會編譯報錯，須要改調用方式：

    ((**void** (*)(**id**, **SEL**))objc_msgSend)(stu, **@selector**(test));
    複製代碼

    • NSObject若實現+(void)test;，崩潰；
    • NSObject若實現-(void)test;，調用-(void)test;；

• 繼承體現中的類，均未實現，崩潰—— -[BFStudent test]: unrecognized selector sent to instance

3.3.2.2 狀況2

[BFStudent test];
複製代碼

• BFStudent實現+(void)test;，調用BFStudent的實現；

• BFStudent未實現+(void)test;，若BFPerson實現，調用BFPerson實現；

• BFStudent和BFPerson均未實現，調用NSObject實現；

  • 沒法[BFStudent test];調用，調用方式需改成：

    Class stuClass = [BFStudent class];
    ((void (*)(id, SEL))objc_msgSend)(stuClass, @selector(test))
    複製代碼

    • NSObject若實現+(void)test;，調用+(void)test;；
    • NSObject若實現-(void)test;，調用-(void)test;；
    • NSObject若實現+(void)test;和-(void)test;，調用+(void)test;；

• 繼承體現中的類，均未實現，崩潰—— +[BFStudent test]: unrecognized selector sent to instance

3.3.3 分析

針對狀況1和2，大部分咱們都能理解，但有一種狀況。是有差異的。

在BFStudent和BFPerson中均未實現對應的對象方法（類方法）時，都會去NSObject中尋找。

• 對象方法：NSObject尋找對應的對象方法，未找到對象方法，崩潰，參考下面的藍色箭頭。
• 類方法：NSObject先尋找對應的類方法，未找到類方法，而後繼續尋找對應的實例方法，若二者未找到，纔會崩潰，見下面的黃色箭頭。

4、窺探對象完整的內部結構

到此，咱們針對對象已經瞭解的差很少了，可是咱們仍是沒有完整的看到運行時，對象的內部結構。

4.1 如何窺探

有兩種方式：

• 方式一：編譯objc源碼，直接經過objc4源碼調試；
  • 編譯細節，請參考：Runtime（一）Runtime簡介
• 方式二：抽象出[一些從源碼來的結構體](#2. 一些從源碼來的結構體)中提到的結構體，將正常對象轉換爲對應的結構體，進行調試；

咱們採用方式二。

4.2 一探究竟

1. 抽象出的結構體從這裏下載。

2. 導入後，將編譯項目調整爲命令行項目，並將main.m改成main.mm，以支持C++編譯。

對應的項目源碼。

4.2.1 類對象

4.2.2 元類對象

如今，你知道OC對象的本質了嗎？它們的分類呢？

參考

連接

1. objc4
2. Runtime（一）Runtime 簡介

示例代碼

1. 本文源碼項目-BFOCClass分類-01
2. 本文源碼項目-BFOCClass分類-02