iOS类的结构分析

1. 用到的软硬件

Macbook Air
macOS Mojave 10.15.6
Xcode 11.3.1
Object-C（编程语言）

2. 新建一个项目

objc4-781源码 https://pan.baidu.com/s/1h33XksmvMAvmojxgTWKi9Q 提取码: cfei

3. OC中的类是什么

首先我们要了解oc和c/c++有什么关系,准确的说oc和c有什么关系。这可能要扯到历史，oc和c++没有半毛钱的关系，oc是c的面向对象的扩展。计算机语言发展简史。

1.png

首先我们通过苹果开源最新一期源码objc4-781中可以得知，类的实例化中做到开辟内存空间 (id)calloc(1, size)和关联相应的类 obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor）
这里的cls在源码里的定义，可以看出oc中的类是结构体指针对象。

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

4. OC中的类元类根元类

通过上面我们可以知道oc中的类是一个objc_class并且它还继承了一个objc_object的结构体（这里存放了一个isa）

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() const {
        return bits.data();
    }
    void setData(class_rw_t *newData) {
        bits.setData(newData);
    }

    void setInfo(uint32_t set) {
        ASSERT(isFuture()  ||  isRealized());
        data()->setFlags(set);
    }
    ....
    ....
    ....
}

那么isa是什么？
一个对象被创建总是要有一个isa并且占用内存中的第一个位置

 if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
#   define ISA_BITFIELD                                                      \
      uintptr_t nonpointer        : 1;                                       \
      uintptr_t has_assoc         : 1;                                       \
      uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;                                       \
      uintptr_t shiftcls          : 33; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000*/ \
      uintptr_t magic             : 6;                                       \
      uintptr_t weakly_referenced : 1;                                       \
      uintptr_t deallocating      : 1;                                       \
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                       \
      uintptr_t extra_rc          : 19
#   define RC_ONE   (1ULL<<45)
#   define RC_HALF  (1ULL<<18)

# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
#   define ISA_BITFIELD                                                        \
      uintptr_t nonpointer        : 1;                                         \
      uintptr_t has_assoc         : 1;                                         \
      uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;                                         \
      uintptr_t shiftcls          : 44; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x7fffffe00000*/ \
      uintptr_t magic             : 6;                                         \
      uintptr_t weakly_referenced : 1;                                         \
      uintptr_t deallocating      : 1;                                         \
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                         \
      uintptr_t extra_rc          : 8
#   define RC_ONE   (1ULL<<56)
#   define RC_HALF  (1ULL<<7)

这里的我们可以看出isa是一个结构体位域,这里面shiftcls储存我们的类信息，打开我们的工程，新建一个Person类，实例化后打印它的内存地址，我们一起探究一下

    Person *p = [Person alloc];
    NSLog(@"%@",p);//断点

在lldb里面输出我们的p的内存信息（模拟器）

(lldb) x/4xg p
0x6000014a8870: 0x00000001005d54f8 0x0000000000000000
0x6000014a8880: 0x0000b0f092718880 0x00007fff87d0008a
(lldb) po 0x00000001005d54f8（这里是我们的类的isa）
Person

(lldb) p/x 0x00000001005d54f8 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $6 = 0x00000001005d54f8(这里得到shiftcls)
(lldb) po $6
Person

这里得到shiftcls也是一个类，通过上面我们知道一个类由objc_class创建出来，那么这里面也会有一个isa，疑惑的我们再去通过lldb去看看这里的Person到底还有什么。

(lldb) x/4xg $6
0x1005d54f8: 0x00000001005d54d0 0x00007fff89e066c0
0x1005d5508: 0x00007fff514147b0 0x0000801000000000
(lldb) p/x 0x00000001005d54d0 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $7 = 0x00000001005d54d0
(lldb) po $7
Person

(lldb) x/4xg $7
0x1005d54d0: 0x00007fff89e06698 0x00007fff89e06698
0x1005d54e0: 0x00006000002af390 0x0003c03100000003
(lldb) p/x 0x00007fff89e06698 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $8 = 0x00007fff89e06698
(lldb) po $8
NSObject

(lldb) x/4xg $8
0x7fff89e06698: 0x00007fff89e06698 0x00007fff89e066c0
0x7fff89e066a8: 0x00007fc244d02610 0x0007c0310000000f
(lldb) p/x 0x00007fff89e06698 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $9 = 0x00007fff89e06698
(lldb) po $9
NSObject

通过上面我们就发现到了NSObjec已经是最后一步了，给个这上面的流程图

2.jpg

这里就得到我们著名的isa流程图

isa流程图.png

5 lldb查看class_data_bits_t bits内容（可以不看）

补充内存偏移

   int c[4] = {1,2,3,4};
   int *d = c;
   NSLog(@"%p - %p - %p",&c,&c[0],&c[1]);
   NSLog(@"%p - %p - %p",d,d+1,d+2);
  //0x7ffee6fff1b0 - 0x7ffee6fff1b4 - 0x7ffee6fff1b8
  //0x7ffee6fff1b0 - 0x7ffee6fff1b4 - 0x7ffee6fff1b8

一个数组里面的首个内存地址和它的变量内存地址一样
后面偏移的内存位置为第一个内存地址+它前面出现元素的内存总和

为什么我们要查看class_data_bits_t bits的内容？
通过objc4源码可以得知bits里面有我们类创建的属性，方法，协议等等

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;              8字节
    Class superclass;          8字节
    cache_t cache;             16字节        
    class_data_bits_t bits;    

    class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }

打开我们的objc4的源码，在我们的LGPerson.h里面添加2个成员变量

@interface LGPerson : NSObject{
    NSString *name;
}
@property(nonatomic,strong)NSString *hobby;

@end

运行

(lldb) x/4gx p
0x100688240: 0x001d8001000021b5 0x0000000000000000
0x100688250: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
(lldb) p/x 0x001d8001000021b5 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $1 = 0x00000001000021b0

通过上面知道我们的class_data_bits_t的内容存在
0x00000001000021b0 +（8+8+16） = 0x00000001000021d0

(lldb) x/4gx 0x00000001000021b0
0x1000021b0: 0x0000000100002188 0x00000001003f0140
0x1000021c0: 0x00000001006882c0 0x0001802400000003
(lldb) p (class_data_bits_t *)0x1000021d0
(class_data_bits_t *) $9 = 0x00000001000021d0
(lldb) p $9->data()
(class_rw_t *) $10 = 0x0000000100688280
(lldb) p *$10
(class_rw_t) $11 = {
  flags = 2148007936
  witness = 1
  ro_or_rw_ext = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = 4294975600
  }
  firstSubclass = nil
  nextSiblingClass = NSUUID
}

这里得到我们的class_rw_t的内容，但是根本就没有看到我们的属性列表，这个时候通过objc4源码知道，它在我们的properties()里面

(lldb) p $11.properties()
(const property_array_t) $12 = {
  list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002150
      arrayAndFlag = 4294975824
    }
  }
}
(lldb) p $12.list
(property_list_t *const) $13 = 0x0000000100002150
(lldb) p *$13
(property_list_t) $14 = {
  entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> = {
    entsizeAndFlags = 16
    count = 1
    first = (name = "hoby", attributes = "T@\"NSString\",&,N,V_hoby")
  }
}

6. 总结

oc是c的面向对象的扩展
oc中的类是结构体指针对象
关于类，元类，根元类的关系