OC底层原理04:isa走向&类结构分析

类 isa 走向分析

元类

OC 中类也是一个对象,它的指针也会指向它所属的类,这样的类就是元类(MetaClass).元类的定义和建立,都是由编译器自动完成的.

类在底层都会被编译为结构体,全部的结构体都“继承”了 NSObject 结构体的Class isa,因此全部的类都包含了 isa,isa 指针指向了其所属的类.实例对象的 isa 指向&归属于类对象,类对象的 isa 指向&归属它的元类.实例对象->类对象->元类

isa 走向

上篇文章,咱们看到 alloc 出来的实例对象中,isa 位域 shiftcls 保存的就是类的指针值,咱们深刻看下,类的 isa 指针,都指向了哪里呢?

//Code
@interface LGPerson : NSObject @property(nonatomic, copy)NSString *kc_name; - (void)setNB; @end  @implementation LGPerson - (void)setNB{  } @end   LGPerson *person = [LGPerson alloc];  // DeBug (lldb) x/4gx person // 实例对象 0x10182cc50: 0x001d8001000021c9 0x0000000000000000 0x10182cc60: 0x63756f54534e5b2d 0x6f6c6f4372614268 (lldb) p/x 0x001d8001000021c9 & 0x00007ffffffffff8ULL (unsigned long long) $67 = 0x00000001000021c8 (lldb) po 0x00000001000021c8 LGPerson // 类(类对象)  (lldb) x/4gx 0x00000001000021c8 0x1000021c8: 0x00000001000021a0 0x0000000100334140 0x1000021d8: 0x000000010032e430 0x0000801000000000 (lldb) po 0x00000001000021a0 LGPerson // 元类  (lldb) x/4gx 0x00000001000021a0 0x1000021a0: 0x00000001003340f0 0x00000001003340f0 0x1000021b0: 0x0000000101831790 0x0004e03100000007 (lldb) po 0x00000001003340f0 NSObject // 根元类  (lldb) x/4gx 0x00000001003340f0 // 根元类的isa指向本身 0x1003340f0: 0x00000001003340f0 0x0000000100334140 0x100334100: 0x0000000100640570 0x0005e03100000007 (lldb)  复制代码

• 那么咱们再看下,继承 LGPerson 的类 LGTercher,它的 isa 都指向了哪里呢?

// Code
@interface LGTercher : LGPerson @end  @implementation LGTercher @end  // DeBug (lldb) x/4gx tercher // 实例对象的内存分布 0x101c2c910: 0x001d800100002179 0x0000000000000000 0x101c2c920: 0x50626154534e5b2d 0x65695672656b6369 (lldb) p/x 0x001d800100002179 & 0x00007ffffffffff8ULL (unsigned long long) $12 = 0x0000000100002178 (lldb) po 0x0000000100002178 // 实例对象的isa指向了类LGTercher LGTercher  (lldb) x/4gx 0x0000000100002178 // 类LGTercher的内存分布 0x100002178: 0x0000000100002150 0x00000001000021c8 0x100002188: 0x000000010032e430 0x0000801000000000 (lldb) po 0x0000000100002150 // 类的isa指向了它的元类 LGTercher  (lldb) x/4gx 0x0000000100002150 // 元类的内存分布 0x100002150: 0x00000001003340f0 0x00000001000021a0 0x100002160: 0x0000000101c36480 0x0003e03100000007 (lldb) po 0x00000001003340f0 // 元类的isa指向了根元类 NSObject  (lldb) x/4gx 0x00000001003340f0 0x1003340f0: 0x00000001003340f0 0x0000000100334140 0x100334100: 0x0000000101c36870 0x0004e03100000007 (lldb)  复制代码

由 LGTercher 的调试结果,咱们看到,元类 LGTercher 的 isa 直接指向了根元类,并不根据继承关系指向 LGPerson.因此全部的元类都会直接指向根元类.

经典的走向图(继承:实线,isa指向:虚线):

流程图探究

1. 全部的类都会指向它的元类,类归属于它的元类,包括根类 NSObject
2. 全部的元类都直接指向了根元类,根元类也会指向本身
3. 继承关系存在于类与类,包括元类与元类之间,实例对象之间是没有关系的
4. 类的继承关系,最终都继承自 NSObject,包括根元类也继承自根类,而根类继承于 nil,无中生有

面试题:类在内存中存在几份?

答案是一份.虽然类归属于元类,但类的信息在编译后只会存在一份

类结构分析

以前利用Clang编译获得的main.cpp文件，咱们能够看到，类编译后的结果都是结构体，而每一个结构体都会"继承"自NSObject_IMPL结构体，而Class类型表示了指向objc_class结构体的指针。

struct NSObject_IMPL {
 Class isa; };  typedef struct objc_class *Class; 复制代码

这时在cpp文件中，点不到objc_class结构体，咱们再来到781版本的objc源码Source Browser全局搜一下。

在objc-runtime-new.h文件中的objc_class是最新的，而且它继承自objc_object。

• objc_class:表示类在编译后的结构体，其中第一个成员数据是继承自父类的isa指针
• superclass:表示当前类继承的父类
• cache:利用散列表来缓存调用过的方法，提交访问的速度
• bits:Class的核心信息

objc_object源码：

bits类信息探索

由objc_class的结构体源码，咱们能够经过类的首地址偏移，来获取到bits中的信息。

首地址

x/4gx LGPerson.class
0x100002250: 0x0000000100002228 0x0000000100334140 0x100002260: 0x000000010032e420 0x0000802400000000 复制代码

LGPerson类的首地址为0x100002250

偏移地址

• ISA和superclass都是objc_class的结构体指针，一共16字节。
• cache中

// cache关键部分，static&方法()不在计算范围内
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;  #elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4  // _maskAndBuckets stores the mask shift in the low 4 bits, and  // the buckets pointer in the remainder of the value. The mask  // shift is the value where (0xffff >> shift) produces the correct  // mask. This is equal to 16 - log2(cache_size).  explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;  mask_t _mask_unused;   ...  #endif #if __LP64__  uint16_t _flags; #endif  uint16_t _occupied;   ... 复制代码

1. struct bucket_t *类型是结构体指针，8字节
2. typedef uint32_t mask_t;类型是4字节
3. typedef unsigned long uintptr_t;类型是8字节
4. uint16_t类型是2字节

因此cache所占内存一共12+2+2=16字节,最终的偏移量为32字节。

获取bits内容

/* Debug  首地址为：0x100002250 偏移量为32字节,  class_data_bits_t bits的地址就在0x100002270 (16进制) */ p (class_data_bits_t *)0x100002270 // (class_data_bits_t *)$3 = 0x00000000100002270 p $3->data() // 调用bits中的data()方法 //(class_rw_t *)$4 = 0x0000000100b19bf0 p $4 /*  (class_rw_t) $6 = {  flags = 2148007936  witness = 0  ro_or_rw_ext = {  std::_ _1::atomic<unsigned long> = 4294975616  }  firstSubclass = LGTercher  nextSiblingClass = NSUUID  } */ 复制代码

$6都是些啥玩意儿啊？？！！

咱们点到bits.data()方法的返回类型class_rw_t：

struct class_rw_t {
  ...   const method_array_t methods() const {  auto v = get_ro_or_rwe();  if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {  return v.get<class_rw_ext_t *>()->methods;  } else {  return method_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseMethods()};  }  }   const property_array_t properties() const {  auto v = get_ro_or_rwe();  if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {  return v.get<class_rw_ext_t *>()->properties;  } else {  return property_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseProperties};  }  } } 复制代码

一直看到最后，看到了method_array_t methods()和property_array_t properties()两个方法。

• 获取properties

输出后咱们看到，property_list_t中的属性数据count有一条，属性的名称为kc_name，和LGPerson中是相符的。

• 获取methods(从新Debug，$4和上边$6同样，都是class_rw_t数据)

此时咱们能够看到，methods中一共有4个方法

(method_t) $9 = {
 name = "sayNB"  ... } (method_t) $10 = {  name = "kc_name"  ... } (method_t) $11 = {  name = "setKc_name:"  ... } (method_t) $12 = {  name = ".cxx_destruct"  ... } 复制代码

1. 类中添加的sayNB方法
2. 属性的set&get方法会在编译过程当中自动生成
3. oc封装于C++底层，因此会默认添加destruct方法

总结：

• 实例对象的isa指向类对象，类对象isa指向它的元类，元类isa指向根元类，根元类isa指向本身
• 类最终都继承了根类NSObject，根类继承nil
• 根类的isa指向根元类，根元类继承自根类
• 类的结构体包含isa、superclass、cache、bits成员数据
• 类的属性&实例函数都存在类结构体的class_data_bits_t bits中

推荐参考

探究 cache_t （方法缓存）的本质

类 & 类结构分析

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