(译文)什么是Objective-C中的元类（Meta-class）？

please note 如文开头所说文章由于时间久远可能会有代码过时的风险但本文只是理解原理不用在意

译文：

在这篇文章中，我将审视(look at)Objective-C中的一个陌生的概念 - 元类（the meta-class）。Objective-C中的每个类都有自己的关联元类，但由于您很少直接使用元类，所以它们仍旧保持神秘。我将首先看看如何在运行时创建一个类。通过检查这个创建的“类对”（class pair），我将解释元类是什么，并且还涵盖了数据在Objective-C中是对象还是类的含义。

在运行时创建一个类

以下代码将在运行时创建一个新的NSError子类并为其添加一个方法：

Class newClass = objc_allocateClassPair([NSError class], "RuntimeErrorSubclass", 0);
class_addMethod(newClass, @selector(report), (IMP)ReportFunction, "v@:");
objc_registerClassPair(newClass);

添加的方法使用名为ReportFunction其实现的函数，其定义如下：

void ReportFunction(id self, SEL _cmd)
{
    NSLog(@"This object is %p.", self);
    NSLog(@"Class is %@, and super is %@.", [self class], [self superclass]);
    
    Class currentClass = [self class];
    for (int i = 1; i < 5; i++)
    {
        NSLog(@"Following the isa pointer %d times gives %p", i, currentClass);
        currentClass = object_getClass(currentClass);
    }

    NSLog(@"NSObject's class is %p", [NSObject class]);
    NSLog(@"NSObject's meta class is %p", object_getClass([NSObject class]));
}

从表面上看，这非常简单。在运行时创建一个类只需三个简单的步骤：

为“类对”分配存储（使用objc_allocateClassPair）。
2.根据需要将方法和ivars添加到类中（我已经用class_addMethod添加了一个方法）
3.注册该类以便可以使用（使用objc_registerClassPair）。

然而，直接的问题是：什么是“类对(class pair)”？该函数objc_allocateClassPair只返回一个值：类。另一半在哪里？
我相信你已经猜到了这一对的另一半是元类(meta class)（这是这篇文章的标题），但要解释它是什么以及为什么你需要它，我将给出一些关于对象和类的背景知识在Objective-C中。

数据结构成为一个对象需要什么？

每个对象都有一个类。这是一个基本的面向对象的概念，但在Objective-C中，它也是数据的基础部分。任何具有指向正确位置的类的指针的数据结构都可以视为一个对象。
在Objective-C中，对象的类由其isa指针决定。该isa指针指向对象的类。
实际上，Objective-C中对象的基本定义如下所示：

typedef struct objc_object {
    Class isa;
} *id;

这就是说：任何以指向Class结构的指针开始的结构都可以视为一个objc_object。

Objective-C中对象的最重要特性是可以向它们发送消息：

[@"stringValue" writeToFile:@"/file.txt" atomically:YES encoding:NSUTF8StringEncoding error:NULL];

这是有效的，因为当你向Objective-C对象发送消息时（比如NSCFString这里），运行时会跟随对象的isa指针来获取对象的Class（NSCFString本例中的类）。该Class则包含Methods列表适用于所有对象 Class和指针指向superclass来查找继承的方法。运行时查看Class和superclass中的Methods 列表以找到与消息选择器相匹配的一个（在上面的例子中，writeToFile:atomically:encoding:error on NSString）。运行时然后调用该方法function（IMP）。

重要的一点是Class定义可以发送给对象(instance)的消息。

什么是元类？

现在，您可能已经知道，类Class在Objective-C中也是一个对象。这意味着你可以发送消息给一个类Class。

NSStringEncoding defaultStringEncoding = [NSString defaultStringEncoding];

在这种情况下，defaultStringEncoding发送给NSString类。

这是有效的，因为每一个类Class在Objective-C中都是一个对象本身。这意味着Class结构必须以一个isa指针开始，以便它与objc_object上面显示的结构二进制兼容，并且结构中的下一个字段必须是指向superclass（或nil基类）的指针。

正如我上周展示的Class，根据您运行的运行时版本，有几种不同方式的定义，但是可以确定的是，它们都以isa字段开头，后跟superclass字段。

typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class {
    Class isa;
    Class super_class;
    /* followed by runtime specific details... */
};

然而，为了让我们在类Class上调用一个方法，这个类Class的isa指针本身必须指向一个Class结构，并且该Class结构必须包含Methods列表，这样我们可以在该类上调用想用的方法。

这引出了元类的定义：元类（meta-class）是Class对象的类。

简单的说：

当你向一个对象(实例)发送消息时，该消息将在对象所属类（object's class）的方法列表中查找。
当你向一个类发送一条消息时，该消息将在类的元类（class' meta-class）的方法列表中查找。

元类是必不可少的，因为它存储一个类的类方法。每一个类Class必须有一个独一无二的元类，因为每个类Class都有一个潜在的唯一的类方法列表。

元类的类是什么?

元类与Class之前一样，也是一个对象。这意味着你也可以调用它的方法。当然，这意味着它也必须有一个类Class。

所有元类都使用基类的元类（Class继承层次结构中顶层的元类）作为它们的类。这意味着对于所有从NSObject（大多数类）中继承下来的类，元类使用NSObject元类作为它的类。

遵循所有元类使用基类的元类作为它们的类的规则，任何基类元类都将是它自己的类（它们的isa指针指向它们自己）。这意味着元类isa上的指针指向NSObject它自己（它是它自己的一个实例）。

类和元类的继承

以同样的方式，Class指向它的父类super_class的指针，元类指向元类的 super_class利用自身的super_class指针。

为了解决更进一步的奇怪问题（As a further quirk 字面意思作为一个进一步的怪癖），基类的元类将其super_class设置为基类本身。

这个继承层次的结果是层次结构中的所有实例、类和元类都继承了层次结构的基类。

对于NSObject层次结构中的所有实例，类和元类，所有NSObject实例方法都是有效的。对于类和元类，所有的NSObject类方法也是有效的。

所有这些概念在文本中有些混乱。Greg Parker汇集了一个关于实例，类，元类和他们的超类以及它们如何组合在一起的优秀图表。

实验证实

为了确认所有这些，让我们看看在ReportFunction这篇文章开始时我给出的输出结果。这个函数的目的是跟随isa指针并记录它找到的内容。

为了运行ReportFunction，我们需要创建一个动态创建的类的实例并调用它的report方法。

id instanceOfNewClass =  [[newClass alloc] initWithDomain:@"someDomain" code:0 userInfo:nil];
[instanceOfNewClass performSelector:@selector(report)];
[instanceOfNewClass release];

由于没有声明report方法，所以我使用performSelector:来调用它，所以编译器不会给出警告。

现在ReportFunction将通过isa指针遍历并告诉我们什么对象被用作元类、类、和元类的类。

获取对象的类：

遵循指针的ReportFunction用法object_getClass，isa因为isa指针是类的受保护成员（不能直接访问其他对象的isa指针）。在ReportFunction不使用class的方法来做到这一点，因为调用class一个方法上的Class对象不返回的元类，而是再次返回Class（所以[NSString class]将返回NSString类，而不是在NSString元类）。

这是NSLog程序运行时的输出（减前缀）：

This object is 0x10010c810.
Class is RuntimeErrorSubclass, and super is NSError.
Following the isa pointer 1 times gives 0x10010c600
Following the isa pointer 2 times gives 0x10010c630
Following the isa pointer 3 times gives 0x7fff71038480
Following the isa pointer 4 times gives 0x7fff71038480
NSObject's class is 0x7fff710384a8
NSObject's meta class is 0x7fff71038480

通过isa重复追踪该值来查看达到的地址：

该对象是地址0x10010c810。

该类是地址0x10010c600。

元类是地址0x10010c630。

元类的类（即NSObject元类）是地址0x7fff71038480。

在NSObject元类的类本身。

地址的价值并不重要，只是它展示了从类到meta-class到NSObject meta-class 的进展。

结论

元类是Class对象的类。每个Class都有自己独特的元类（所以每个Class都可以拥有自己独特的方法列表）。这意味着所有的Class对象都不是同一个类。

元类将始终确保该Class对象具有层次结构中基类的所有实例和类方法，以及中间的所有类方法。对于后继类NSObject，这意味着所有NSObject实例和协议方法都是为所有Class（和元类）对象定义的。

所有元类本身都使用基类的元类（NSObject元类作为NSObject的继承类）作为它们的类，包括基本级元类，它是运行时中唯一的自定义类(self-defining class)。

PS 译者拓展

so 看完了这篇文章看看下图是不是豁然明朗

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(译文)什么是Objective-C中的元类（Meta-class）？