iOS底层原理 - 探寻Runtime本质 之 self / super与class / superclass

面试题引发的思考：

Q: 以下代码的打印内容是什么？

// TODO: -----------------  Person类  -----------------
@interface Person : NSObject
@end

@implementation Person
@end

// TODO: -----------------  Student类  -----------------
@interface Student : Person
@end

@implementation Student
- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        NSLog(@"[self class] = %@", [self class]);
        NSLog(@"[self superclass] = %@", [self superclass]);
        NSLog(@"---------------------------");
        NSLog(@"[super class] = %@", [super class]);
        NSLog(@"[super superclass] = %@", [super superclass]);
    }
    return self;
}
@end

// TODO: -----------------  main  -----------------
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Student *stu = [[Student alloc] init];
    }
    return 0;
}

打印结果应该是：

Demo[1234:567890] [self class] = Student
Demo[1234:567890] [self superclass] = Person
Demo[1234:567890] ---------------------------
Demo[1234:567890] [super class] = Person
Demo[1234:567890] [super superclass] = NSObject

真实打印结果是：

Demo[1234:567890] [self class] = Student
Demo[1234:567890] [self superclass] = Person
Demo[1234:567890] ---------------------------
Demo[1234:567890] [super class] = Student
Demo[1234:567890] [super superclass] = Person

Q：为什么打印结果和想象中有出入？

self、super调用方法流程
  • super调用方法：消息接收者仍然是 子类对象self，从父类开始查找方法的实现。
  • class方法的内部实现是根据 消息接收者 返回其对应的 类对象。而class方法是在基类NSObject类中实现的。
  • superclass方法的内部实现是根据 消息接收者 返回其对应的 父类的类对象。

1. self / super与class / superclass原理

(1) self / super原理

// TODO: -----------------  Person类  -----------------
@interface Person : NSObject
- (void)run;
@end

@implementation Person
- (void)run {
    NSLog(@"%s", __func__);
}
@end

// TODO: -----------------  Student类  -----------------
@interface Student : Person
@end

@implementation Student
- (void)run {
    [super run];
    NSLog(@"Student - run");
}
@end

通过xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc Student.m将Student.m转化为C++代码查看其底层实现：

OC代码转化为C++

即[super run];语句转化为C++代码：

((void (*)(__rw_objc_super *, SEL))(void *)objc_msgSendSuper)((__rw_objc_super){
(id)self, 
(id)class_getSuperclass(objc_getClass("Student"))}, sel_registerName("run"));

// 简化代码
objc_msgSendSuper((__rw_objc_super){
        self,
        class_getSuperclass(objc_getClass("Student"))
    }, @selector(run));

// 继续简化代码
struct __rw_objc_super arg = {
        self,
        class_getSuperclass(objc_getClass("Student"))
    };
objc_msgSendSuper(arg, @selector(run));

由以上代码可知：

  • super底层实现是objc_msgSendSuper函数；
  • objc_msgSendSuper函数传入两个参数：__rw_objc_super结构体与@selector(run)方法名；
  • __rw_objc_super结构体传入两个参数：self与class_getSuperclass(objc_getClass("Student"))即Student的父类Person。

OC源码中搜索objc_msgSendSuper：

objc_msgSendSuper函数

由OC源码可知：

  • objc_msgSendSuper函数传入的第一个参数为objc_super结构体；
  • objc_super结构体传入两个参数：
    receiver消息接收者为self；
    superclass决定从哪一个类开始查找方法的实现。

通过以上分析，可以得出self、super调用方法流程：

self、super调用方法流程

由上图可知：

super调用方法：消息接收者仍然是子类对象self，从父类开始查找方法的实现。

(2) class / superclass原理

class与superclass的底层实现如下图所示：

class与superclass的底层实现

class方法的内部实现是根据消息接收者返回其对应的类对象。而class方法是在基类NSObject类中实现的。

则[self class];和[super class];的消息接收者都是本类Student。
区别为：[self class];从本类类对象开始查找方法，[super class];从父类类对象开始查找方法。

superclass方法的内部实现是根据消息接收者返回其对应的父类的类对象。

则[self superclass];和[super superclass];的消息接收者都是父类Person。
区别为：[self superclass];从父类类对象开始查找方法，[super superclass];从父类的父类类对象开始查找方法。

3) objc_msgSendSuper2函数

以上代码转化为C++后并不能说明super底层调用函数就一定objc_msgSendSuper函数。

通过断点查看汇编：

断点
汇编代码

由以上可知：

super底层调用的是objc_msgSendSuper2函数。

通过OC源码查找objc_msgSendSuper2函数底层实现：

objc_msgSendSuper2函数

由OC源码可知：

super底层调用class->superclass获取父类，并非通过C++代码分析的直接传入父类对象。

其实_objc_msgSendSuper2内传入的结构体为objc_super2

objc_super2结构体

总结可知：

_objc_msgSendSuper2函数内其实传入的是当前类对象，然后在函数内部获取当前类对象的父类，并且从父类开始查找方法。

2. isMemberOfClass / isKindOfClass原理

Q: 以下代码的打印内容是什么？

// TODO: -----------------  Person类  -----------------
@interface Person : NSObject
@end

@implementation Person
@end

// TODO: -----------------  main  -----------------
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"%d", [[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]]);
        NSLog(@"%d", [[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]]);
    }
    return 0;
}

由iOS底层原理 - OC对象的本质（二）可知isa、superclass指向图：

isa、superclass指向图

根据isa、superclass指向图，得到以下结论：

isMemberOfClass与isKindOfClass的底层实现

由以上源码可以得出以下结论：

  • 结论一：isMemberOfClass判断左边类型 是否等于 右边类型；
  • 结论二：isKindOfClass判断左边类型 是否等于 右边类型或其子类；
  • 结论三：左边（实例对象） 对应 右边（类对象）；
  • 结论四：左边（类对象） 对应 右边（元类对象）；
  • 结论五：基类的元类的superclass指向基类。

通过结论可以正确分析以下代码：

// TODO: -----------------  Person类  -----------------
@interface Person : NSObject
@end

@implementation Person
@end

// TODO: -----------------  main  -----------------
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        Person *person = [[Person alloc] init];
        NSLog(@"%d", [person isMemberOfClass:[Person class]]); // 1，结论一、三
        NSLog(@"%d", [person isMemberOfClass:[NSObject class]]); // 0，结论一、三
        NSLog(@"%d", [person isKindOfClass:[Person class]]);  // 1，结论二、三
        NSLog(@"%d", [person isKindOfClass:[NSObject class]]);  // 1，结论二、三

        NSLog(@"%d", [[Person class] isMemberOfClass:[NSObject class]]); // 0，结论一、四
        NSLog(@"%d", [[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]]); // 0，结论一、四
        NSLog(@"%d", [[Person class] isKindOfClass:[NSObject class]]); // 1，结论二、四、五
        NSLog(@"%d", [[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]]); // 1，结论二、四、五
    }
    return 0;
}

3. 一个综合性面试题

对以下代码进行分析：

// TODO: -----------------  Person类  -----------------
@interface Person : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
- (void)print;
@end

@implementation Person
- (void)print {
    NSLog(@"my name is %@", self.name);
}
@end

// TODO: -----------------  ViewController类  -----------------
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    id cls = [Person class];
    void *obj = &cls;
    [(__bridge id)obj print];
}

// 打印结果
Demo[1234:567890] my name is <ViewController: 0x7fd3b941a2a0>

(1) Q：为什么可以正常调用方法？

在工作中不会使用到类似的代码，主要考察对iOS底层原理的理解程度。
通过总结的底层调用流程进行分析：

底层调用流程

由底层调用流程可知：

  • 语句一：创建一个id类型的cls指针指向Person类对象；
  • 语句二：创建一个指针变量obj，用来存放cls的地址；
  • 语句三：创建一个Person类型的指针变量person，通过isa指针指向Person类对象；
  • person实例对象内部实际是取得最前面的8个字节（即isa），并通过计算得出类对象地址。

所以obj在调用print方法时，也会通过其内存地址找到cls，而cls中取出最前面8个字节空间其内部存储的刚好是Person类对象地址。因此obj是可以调用对象方法的。

(2) 为什么会打印出ViewController？

1> 栈空间的内存是从高地址到低地址连续分配的。

通过以下代码验证：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 局部变量分配在栈空间
        double a = 10;
        double b = 20;
        double c = 30;
        // 打印结果 - 0x7ffeefbff588, 0x7ffeefbff580, 0x7ffeefbff578
        NSLog(@"%p, %p, %p", &a, &b, &c);
    }
    return 0;
}

由以上代码可知：

栈空间的内存是从高地址到低地址连续分配的。

2> objc_super2函数

在[super viewDidLoad];这段代码中，由以上分析可知super底层调用的是objc_msgSendSuper2函数，进而调用objc_super2结构体：

objc_super2结构体

在上面的代码中objc_super2结构体为：

struct objc_super2 = {
    self,
    [ViewController Class]
};

那么objc_msgSendSuper2函数调用之前，会先创建局部变量objc_super2结构体用于为objc_msgSendSuper2函数传递的参数。

3> 实例一

对以下代码进行分析：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    id cls = [Person class];
    void *obj = &cls;
    [(__bridge id)obj print];
}

// 打印结果
Demo[1234:567890] my name is my name is <ViewController: 0x7ff739c06e30>

可以绘制出局部变量存储结构：

局部变量存储结构

根据代码可总结出以上结构图：

  • person实例对象内部实际是取出前8个字节（即isa），并通过计算得出类对象地址。
  • 而obj在调用print方法时找到cls取出前8个字节，也就是Person类对象的内存地址；
  • 当访问实例变量_name时，会继续向高地址内存查找，此时访问到objc_super结构体，从中取出前8个字节（即self），所以self.name此时为ViewController对象。

因此上述代码中cls就相当于isa，isa下面的8个字节就相当于_name成员变量。所以成员变量_name访问到的值就是cls地址向高地址位取8个字节地址空间存储的值。

4> 实例二

对以下代码进行分析：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    NSString *str = @"abc";
    
    id cls = [Person class];
    void *obj = &cls;
    [(__bridge id)obj test];
}

// 打印结果
Demo[1234:567890] my name is abc

可以绘制出局部变量存储结构：

局部变量存储结构

此时访问_name成员变量的时候，会向cls后面的高地址查找8个字节空间，即获取的成员变量为str。

5> 实例三

对以下代码进行分析：

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    int *a = 10;
    
    id cls = [Person class];
    void *obj = &cls;
    [(__bridge id)obj test];
}

// 运行结果 - crash

可以绘制出局部变量存储结构：

局部变量存储结构

此时访问_name成员变量的时候，会向cls后面的高地址查找8个字节空间，而int占4个字节空间，那么这8位的字节空间同时存在int类型数据以及objc_super结构体，所以会造成坏地址访问崩溃。

6> 实例四

对以下代码进行分析：

// TODO: -----------------  Person类  -----------------
@interface Person : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, copy) NSString * nickname;
- (void)print;
@end

@implementation Person
- (void)print {
    NSLog(@"my nickname is %@", self. nickname);
}
@end

// TODO: -----------------  ViewController类  -----------------
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    id cls = [Person class];
    void *obj = &cls;
    [(__bridge id)obj print];
}

// 打印结果 - my nickname is <ViewController: 0x7fd3b941a2a0>

可以绘制出局部变量存储结构：

局部变量存储结构

此时访问_nickname成员变量的时候，会向cls后面的高地址查找8个字节空间(_name所占)，再向后面的高地址查找8个字节空间(_nickname所占)即为self，所以self.nickname此时为ViewController对象。

这道面试题考察了以下内容：

  1. super的底层本质为调用objc_msgSendSuper2函数，传入objc_super2结构体，结构体内部存储消息接收者与当前类，告知系统从父类开始查找方法；
  2. 局部变量分布在栈空间，栈空间的内存是从高地址到低地址连续分配的，即局部变量按照创建顺序从高地址到低地址连续分配；
  3. 消息机制，通过isa指针找到类对象进行消息发送；
  4. 访问成员变量的本质，找到成员变量的地址，按照成员变量所占的字节数，取出地址中存储的成员变量的值。
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