OC底层原理04—类、元类、根元类与 isa的关联

iOS--OC底层原理文章汇总
如题，今天来探究下类的一些信息，isa指针的指向就是该类对象的元类，每一个类都是它的元类的对象，元类是对类对象的描述。首先来分析一下代码

//类对象内存存在个数为 1
void lgTestClassNum(){
    Class class1 = [LGPerson class];
    Class class2 = [LGPerson alloc].class;
    Class class3 = object_getClass([LGPerson alloc]);
    Class class4 = [LGPerson alloc].class;
    NSLog(@"\n%p-\n%p-\n%p-\n%p",class1,class2,class3,class4);
}

void lgTestNSObject(){
    // NSObject实例对象
    NSObject *object1 = [NSObject alloc];
    // NSObject类
    Class class = object_getClass(object1);
    // NSObject元类
    Class metaClass = object_getClass(class);
    // NSObject根元类
    Class rootMetaClass = object_getClass(metaClass);
    // NSObject根根元类
    Class rootRootMetaClass = object_getClass(rootMetaClass);
    NSLog(@"\n%p 实例对象\n%p 类\n%p 元类\n%p 根元类\n%p 根根元类",object1,class,metaClass,rootMetaClass,rootRootMetaClass);
}

打印结果分析之：

2020-09-14 23:24-isa分析[1763:92018] <LGPerson: 0x102055210>
2020-09-14 23:24-isa分析[1763:92018] 
0x100002588-
0x100002588-
0x100002588-
0x100002588
2020-09-14 23:24-isa分析[1763:92018] 
0x1005135b0 实例对象
0x7fffb1bd0140 类
0x7fffb1bd00f0 元类
0x7fffb1bd00f0 根元类
0x7fffb1bd00f0 根根元类

可以看到lgTestClassNum中打印的类对象地址都是同一个，说明：类对象存在个数仅有一份。在lgTestNSObject中实例对象地址与类的地址，以及元类、根元类、根根元类的地址是不一样的，其中元类、根元类、根根元类的地址则是一样的。这是为什么呢？
在系列文章前几章中我们了解了isa的结构，类的首地址就是isa，isa中的shiftcls存储着类的一些信息，isa在类中存在这非常重要的关系，继续通过LLDB分析之。

isa在类中用lldb分析

isa指向：对象->类对象->元类对象->根元类对象，根元类对象的isa指向根元类自身
元类可以存储类的自有信息，可供子类继承的类信息。
实例对象没有继承关系，只有类与类间才有继承关系；
根元类的父类为NSObject，NSObject 继承的地址没有，所以父类为nil。

经典isa走位图

实例对象的isa指向它的类对象Subclass，Subclass继承自它的父类Superclass，而Subclass的isa指向它的元类Subclass（meta），类和元类的地址是一样的。

拓展：objc_class vs objc_object 关系?

类的底层编码是—— objc_class
对象的根对象—— objc_object
objc_class 又继承自 objc_object ，所有class也是对象——万物皆对象。
所有的对象，类，元类都有isa。
结构体类型objc_class 继承自objc_object类型，其中objc_object也是一个结构体，且有一个isa属性，所以objc_class也拥有了isa属性
mian.cpp底层编译文件中，NSObject中的isa在底层是由Class 定义的，其中class的底层编码来自 objc_class类型，所以NSObject也拥有了isa属性
NSObject 是一个类，用它初始化一个实例对象objc，objc 满足 objc_object 的特性（即有isa属性），主要是因为isa 是由 NSObject 从objc_class继承过来的，而objc_class继承自objc_object，objc_object 有isa属性。所以对象都有一个 isa，isa表示指向，来自于当前的objc_object
objc_object（结构体）是当前的根对象，所有的对象都有这样一个特性 objc_object，即拥有isa属性
以下是objc-781源码中objc_object定义：

objc_object定义

objc_object 和实例对象的关系？

所有的对象都是继承NSObject,NSObject又继承自底层的objc_object（C/C++）结构体类型，底层的是没有对象而是结构体。

类的内存 + 对象的内存

先拓展：内存偏移

在探究类的内存信息时，需要用到内存偏移相关知识，所以先介绍下内存偏移。

变量的地址差
定义两个普通变量，打印它们以及变量地址

普通变量及地址

这个很好理解，内存上有一块数字未100的块，有两个变量都指向这个内存，虽然值相同，但是它们的变量的地址是不一样的，这是因为值发生了一个浅拷贝。但是观察到两个内存的地址偏差很小为4，这是一个int字节的长度，这个长度差取决于b的类型长度。这样对一个相同的值的指向，将其指针地址连续存储，是优化存储的一种小手段。
对象的地址差
定义一个Book类，实例化两个对象，打印它们的地址，前者为对象的指针地址，指向的事开辟的内存空间；后者的二级指针，存储的则是对象地址的地址（or指针的指针）。由于该类没有属性、成员变量，系统则将&book1,&book2存储在连续的地址，由于二级指针为纯指针，其字节长度就是isa的长度，所以两个二级指针差为8；通过这样的指针地址差是可以访问到两个相邻内存地址的。

对象指针
数组的指针差
定义一个数组，然后定义一个指针指向这个数组

数组指针

&c：获取c的首地址
&c[0]:获取c数组首个元素的地址
&c[1]:获取c数组第2个元素的地址
*d = c; 将c的首地址赋值给d，d+1则是对d的地址进行内存偏移，偏移1个单位则是对应于c的下一个元素地址。
通过以上认识到：数组首个元素的指针地址作为数组的指针地址。*
通过首地址的偏移，可挨个取出数组元素，偏移量则由元素类型的字节数决定。
借用style_月月博主简单明了的一张图，能很好的理解了内存偏移

数组指针内存偏移

类objc_object的结构信息

// 注意new 、old版本差,此版本为objc4-781
struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;  // 默认8字节
    Class superclass;  // 8字节
    cache_t cache;  // 8 + 4 + 2 + 2      // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    /*篇幅有限，省略N多代码，主要代码分析上面即可*/
};

提前剧透式的获取类的关键信息：class_data_bits_t，class_data_bits_t存储了类中的属性（property）、方法（method）、协议（protocol），这是类结构信息中的关键部分，通过之前的LLDB我们是可以获得类对象的首地址的，通过内存偏移的方式获取class_data_bits_t。
进入cache_t源码分析之,它里面有相当多的代码，get其关键属性信息，则就是：struct cache_t的字节长度

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets; // 是一个结构体指针类型，占8字节
    explicit_atomic<mask_t> _mask; //是mask_t 类型，而 mask_t 是 unsigned int 的别名，占4字节
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets; //是指针，占8字节
    mask_t _mask_unused; //是mask_t 类型，而 mask_t 是 uint32_t 类型定义的别名，占4字节
    
#if __LP64__
    uint16_t _flags;  //是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节
#endif
    uint16_t _occupied; //是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节

所以要想获取bits内存，就是要将类的首地址（同isa）进行内存偏移即可获取.So -> isa: 8字节 + superClass: 8字节 + cache_t（ _buckets / _maskAndBuckets : 8 + _mask / _mask_unused: 4 + _flags :2 + _occupied :2 = 16）= 32字节（16进制：0x20）。

isa属性：继承自objc_object的isa，占 8字节
superclass 属性：Class类型，Class是由objc_object定义的，是一个指针，占8字节
cache属性：简单从类型class_data_bits_t目前无法得知，而class_data_bits_t是一个结构体类型，结构体的内存大小需要根据内部的属性来确定，而结构体指针才是8字节
bits属性：只有首地址经过上面3个属性的内存大小总和的平移，才能获取到bits

通过LLDB分析：
定义一个Person类

@interface Person : NSObject

@property (nonatomic,copy) NSString * name;

@property (nonatomic,copy) NSString * age;

-(void)sayHello;
+(void)sayHappy;

@end

获取bits方法一：在源码中找 class_data_bits_t，打印bits探索其结构。

源码打断点找bits

(lldb) p/x bits // 16进制打印bits内存地址
(class_data_bits_t) $0 = (bits = 0x0000000100002028)
(lldb) p $0->data()  // $0: 别名，调用data()方法
(class_rw_t *) $1 = 0x0000000100002028
  Fix-it applied, fixed expression was: 
    $0.data()
(lldb) p *$1
(class_rw_t) $2 = {
  flags = 129
  witness = 40
  ro_or_rw_ext = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = 40
  }
  firstSubclass = nil
  nextSiblingClass = 0x0000000100000fa0
}
// 找到ro文件后续探索继续查看方法二找bits

获取bits方法二：在调用Person * person =[Person alloc];之后下断点，通过打印类指针地址，利用内存偏移原理，加之上面分析的获取bits要在cls地址基础上偏移32字节（16进制：0x20）,即在

(Class) $0 = 0x0000000100002250 LGPerson
(lldb)  p/x (class_data_bits_t *)0x0000000100002270 // 在$0基础上加0x20
(class_data_bits_t *) $3 = 0x0000000100002270 // 则可得到bits

方法二完整LLDB

(lldb) p/x person.class
(Class) $0 = 0x0000000100002250 LGPerson
(lldb)  p/x (class_data_bits_t *)0x0000000100002270 // 在$0寄出上加0x20，
(class_data_bits_t *) $3 = 0x0000000100002270
(lldb) p *$3
(class_data_bits_t) $4 = (bits = 4302628644)
(lldb) p $4->data()  /// $4: 别名，调用data()方法
(class_rw_t *) $5 = 0x000000010074e720
  Fix-it applied, fixed expression was: 
    $4.data()
(lldb) p *$5
(class_rw_t) $6 = {
  flags = 2148007936
  witness = 1
  ro_or_rw_ext = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = 4294975664
  }
  firstSubclass = nil
  nextSiblingClass = NSUUID
}
(lldb) p $6.properties() // 打印第属性list
(const property_array_t) $7 = {
  list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
     = {
      list = 0x00000001000021d8
      arrayAndFlag = 4294975960
    }
  }
}
(lldb) p $7.list
(property_list_t *const) $8 = 0x00000001000021d8
(lldb) p *$8
(property_list_t) $9 = {
  entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> = {
    entsizeAndFlags = 16
    count = 2
    first = (name = "name", attributes = "T@\"NSString\",C,N,V_name")
  }
}
(lldb) p $9.get(1) // 打印第一个属性
(property_t) $10 = (name = "age", attributes = "T@\"NSString\",C,N,V_age")
(lldb) p $6.methods()
(const method_array_t) $11 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
     = {
      list = 0x00000001000020f8
      arrayAndFlag = 4294975736
    }
  }
}
(lldb) p $11.list
(method_list_t *const) $12 = 0x00000001000020f8
(lldb) p *$12  // 获取了Person类的 method_list_t
(method_list_t) $13 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
    entsizeAndFlags = 26
    count = 6
    first = {
      name = "sayHello"
      types = 0x0000000100000f75 "v16@0:8"
      imp = 0x0000000100000cd0 (KCObjc`-[LGPerson sayHello])
    }
  }
}
(lldb) p $13.get(0) // 打印出对象方法 sayHello
(method_t) $14 = {
  name = "sayHello"
  types = 0x0000000100000f75 "v16@0:8"
  imp = 0x0000000100000cd0 (KCObjc`-[LGPerson sayHello])
}
(lldb) p $13.get(1)
(method_t) $15 = {
  name = ".cxx_destruct"
  types = 0x0000000100000f75 "v16@0:8"
  imp = 0x0000000100000da0 (KCObjc`-[LGPerson .cxx_destruct])
}
(lldb) p $13.get(2)
(method_t) $16 = {
  name = "name"
  types = 0x0000000100000f89 "@16@0:8"
  imp = 0x0000000100000ce0 (KCObjc`-[LGPerson name])
}
(lldb) p $13.get(3)
(method_t) $17 = {
  name = "setName:"
  types = 0x0000000100000f91 "v24@0:8@16"
  imp = 0x0000000100000d10 (KCObjc`-[LGPerson setName:])
}
(lldb) p $13.get(4)
(method_t) $18 = {
  name = "age"
  types = 0x0000000100000f89 "@16@0:8"
  imp = 0x0000000100000d40 (KCObjc`-[LGPerson age])
}
(lldb) p $13.get(5)
(method_t) $19 = {
  name = "setAge:"
  types = 0x0000000100000f91 "v24@0:8@16"
  imp = 0x0000000100000d70 (KCObjc`-[LGPerson setAge:])
}
(lldb) p $13.get(6)
Assertion failed: (i < count), function get, file /Users/tl/逻辑教育/iOS底层/Day5/20200914-大师班第5天-类原理分析-资料/01--课堂代码/003-iskindof面试题/runtime/objc-runtime-new.h, line 438.
error: Execution was interrupted, reason: signal SIGABRT.
The process has been returned to the state before expression evaluation.

在 p $13.get(6)执行时，发送了越界，方法list并没有类方法sayHappy(),这是由于对象方法存在类中，而类方法存在其元类中。下一节继续探索为什么。

OC底层原理04—类、元类、根元类 与 isa的关联