iOS底层 -- 类的本质分析

1.本文概述

本文旨在经过 类&元类的建立时机， 类的结构及相关属性， 添加的类信息等分析类在内存中的实际存在，并分享一些关于类的经典面试题

2.类&元类的建立时机

上文说到，对象经过isa和类关联，同个类型的对象能够屡次建立，因此对象能够有多个。那么类呢，根据开发经验，很容易得出类在内存中只有一个，那究竟要怎么实锤呢。提供验证方式：

• command + b ,经过machoView查看

新建一个项目，并建立一个CJPerson类，在Products目录下.app结尾的文件尚未编译是报红的，

command + b下变黑，Show In Finder后显示包内容，把可执行文件拖入machoView，

machoView中显示以下

能够看到，在DATA段的_objc_classrefs内已经加载了CJPerson类，并指定了内存地址，说明类的建立是在编译时期，而且只有一份。

元类也是在编译期，由系统建立的，在个人理解，元类的做用是:
1.承接isa走向
2.缓存类方法
总以为苹果大费周章引入元类的概念，还有其余的做用，至因而什么，但愿能够指导我下
复制代码

2.类的本质

在main.m下初始化一个CJPerson对象

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

用clang编译下main.m

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp复制代码

打开编译后的main.cpp文件，直接来到最后面，会看到初始化时候是调用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;
}复制代码

在文件内搜索objc_getClass，看到

__OBJC_RW_DLLIMPORT struct objc_class *objc_getClass(const char *);复制代码

再搜索objc_class，找到重定义

typedef struct objc_class *Class;复制代码

原来类是objc_class重定义的，感受这个objc_class很熟悉，好像在objc源码里面有看到过，那就搜索试试

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();
    }
    ...
}复制代码

顺便贴出objc_object的结构

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};复制代码

• objc_class结构体内ISA是被注释的，不表明结构体内不包含它，由于objc_class继承objc_object，因此ISA是来自于父类
  
• 一样使用clang编译下NSObject能够获得objc_object
• isa的结构是isa_t，但是这里使用class接收是能够的，内部经过shift_class获得class

总结：类的真正类型为objc_class,继承于objc_object(也就是NSObject的底层结构),说明万物皆对象，类也是一个对象，CJPerson严格来讲是类对象

3.类的数据结构

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
}复制代码

根据objc_class结构体能够清楚看到，类有4个属性，分别是isa，superclass，cache，bits

1.Class isa

isa在(iOS底层-一应俱全的isa)中已经分析过了，占有8个字节，只是这里的isa是指向元类

2.Class superclass

superclass就是指向的父类

typedef struct objc_class *Class;
复制代码

superclass的结构一样是objc_class，由于它是结构体指针，占有8个字节

3.cache_t cache

cache是方法缓存,方法缓存涉及到方法查找流程，缓存策略，动态扩容等，下一章详细说明，先看下cache_t和bucket_t结构

struct cache_t {
    struct bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;
}复制代码

struct bucket_t {
private:
#if __arm64__
    MethodCacheIMP _imp;
    cache_key_t _key;
#else
    cache_key_t _key;
    MethodCacheIMP _imp;
#endif
...
}复制代码

• buckets是装方法的桶子，里面放着方式实现imp，根据方法编号sel生成的key

• mask是扩容因子，决定扩容的时机

• occupied是当前占用的容量

• bucket_t 是结构体指针，占用8个字节，mask_t就是int，占用4个字节，因此mask和occupied各占4个字节

• cache_t是个结构体，结构体大小是内部全部大小的和，因此cache_t占有16个字节

4.class_data_bits_t bits

bits是数据存放的地方，bits里面有data，data是从macho里面读取的class_rw_t

class_rw_t *data() {
    return bits.data();
}复制代码

struct class_rw_t {
...
    const class_ro_t *ro;
    method_array_t methods;//方法列表
    property_array_t properties;//属性列表
    protocol_array_t protocols;//协议列表
...
}复制代码

class_rw_t有方法列表，属性列表，协议列表等等

class_rw_t里面有个class_ro_t

struct class_ro_t {
    ..
    method_list_t * baseMethodList;//方法列表
    protocol_list_t * baseProtocols;//协议列表
    const ivar_list_t * ivars;//实例变量列表
    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;//属性列表
    method_list_t *baseMethods() const {
        return baseMethodList;
    }
};复制代码

class_ro_t也有方法列表，属性列表，协议列表等，可是多了ivar_list_t实例变量列表。下面探索下二者等区别

4.类添加的属性方法

类中添加实例变量sex，属性age，对象方法work，类方法play

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

- (void)work;
+ (void)play;复制代码

object_getClass输出下类对象

CJPerson * person = [CJPerson alloc];
Class cls = object_getClass(person);         
NSLog(@"%@",cls);复制代码

x/4gx打印cls的内存地址以下：

经过类的数据结构分析，bits位于ISA，superclass，cache以后，这三者分别是8，8，16字节，根据内存偏移，bits在isa地址后的32字节，

0x100001218 + 32字节 = 0x100001238复制代码

po和p直接打印都不行，那么须要用class_data_bits_t类型强转打印

取出bits内的class_rw_t

class_rw_t的methods

看到methods中有3个方法，分别输出下

• .cxx_destruct 系统添加c++的析构方法

• work 对象方法

• age 属性生成的age方法

• method_t中的types，在苹果开发者文档中有详细说明

结论：有对象方法work，竟然没有类方法play

class_rw_t的properties

如法炮制，输出下属性列表properties

结论：符合预期，只有一个添加的age属性

那继续看下class_ro_t

class_ro_t的ivar_list_t

结论：ivar_list_t中有添加的实例变量sex，还有一个_age，这也符合常规认知，属性在底层会生成带下划线的实例变量

class_ro_t的baseMethodList

结论：和class_rw_t中的methods一致

class_ro_t的baseProperties

结论：和class_rw_t中的properties一致

搜索疑点

目前添加的实例变量，属性，对象方法都在内存中寻找到了，惟独缺乏类方法，不过根据经验能够知道，类方法是缓存在元类中，那尝试去元类搜索

经过isa_mask找到元类，而后一步步找到baseMethodList，果真在其中找到类方法play

结论

• 成员变量存放在class_ro_t中的ivar_list_t
• 属性在class_rw_t中的property_array_t 和class_ro_t中的的property_list_t都存着一份，而且会生成实例变量，和对应的方法
• 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
• 对象方法存放在类里面
• 类方法存放在元类里面

class_ro_t和class_rw_t内容大部分相同的缘由：

class_ro_t存储了当前类在编译期就已经肯定的 属性 、 方法 以及 遵循的协议， class_rw_t 是在运行时才肯定，它会先将 class_ro_t 的内容拷贝过去，而后再将当前类的分类的这些属性、方法等拷贝到其中。 class_rw_t 是 class_ro_t 的超集。

5.类的面试题

这是一道比较经典的面试题,CJPerson继承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);复制代码

输出为1000，1111

re1是NSObject调用类方法isKindOfClass

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

递归查找NSObject的元类是否存在，存在就继续找元类的父类，直到根元类指向NSObject的时候，返回YES复制代码

re2是NSObject调用类方法isMemberOfClass

+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return object_getClass((id)self) == cls;
}复制代码

只对比一次，NSObject的元类是否等于NSObject，返回NO复制代码

re3是CJPerson调用类方法isKindOfClass

第一步就到CJPerson元类，而后一直递归下去，不会回到CJPerson类，返回NO复制代码

re4是CJPerson调用类方法isMemberOfClass

只对比一次CJPerson元类和CJPerson类，返回NO复制代码

re5是NSObject对象调用对象方法isKindOfClass

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

递归查找对象的父类是否等于NSObject，总有一次等于NSObject，返回YES复制代码

re6是NSObject对象调用对象方法isMemberOfClass

- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return [self class] == cls;
}复制代码

只对比一次，NSObject对象的类是否等于NSObject，恰好继承关系知足复制代码

re7是CJPerson对象调用对象方法isKindOfClass

递归查找CJPerson对象的类是否等于CJPerson，第一次就知足继承关系复制代码

re8是CJPerson对象调用对象方法isMemberOfClass

只对比一次，CJPerson对象的类是否等于CJPerson，恰好继承关系知足复制代码

写在最后

以上就是关于类的探索，下一章是cache_t流程分析引出消息发送流程，后续继续更新类的底层结构，block，锁，多线程等底层探索，还有应用程序加载，启动优化，内存优化等相关知识点，敬请关注。