类的结构探究分析

之前我们研究了对象创建流程，对象内存对齐算法解析和对象的本质，今天我们开始对类的本质进行探究。

在对象的本质文章中，通过.cpp文件其实已经对一个类所包含的内容有了初步了解。现在创建一个类，包含属性，成员变量，实例方法和类方法，我今天将带大家通过源码和lldb的方式来找到他们在类中储存的位置，并尝试取出来！

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类的本质

既然研究的是类，那么类 - Class的本质是什么，是什么结构，包含什么内容呢？之前我也介绍过NSObject对应底层就是objc_object, Class对应底层为objc_class。直接在源码中搜索objc_class找到他的定义可以得知：

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/objc_class 是结构体；
objc_class继承自objc_object(万物皆对象)，并继承了隐藏属性isa；
成员变量包括：类的isa，指向父类的指针superclass， cache和bits；

通过objc_class中成员变量的类型名称和注释，我们可以得出cache_t类型就是类的缓存数据，、class_data_bits_t是什么？注释中的class_rw_t又是什么？objc_class定义向下找到了class_rw_t:

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

进入class_rw_t查看定义，发现他是一个结构体，成员变量翻到下面看到了我们熟悉的内容：

  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 *>(&ro_or_rw_ext)->methods;
        } else {
            return method_array_t{v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext)->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 *>(&ro_or_rw_ext)->properties;
        } else {
            return property_array_t{v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext)->baseProperties};
        }
    }

    const protocol_array_t protocols() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext)->protocols;
        } else {
            return protocol_array_t{v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext)->baseProtocols};
        }
    }

得出结论：类包含的属性变量，方法存在class_data_bits_t bits中。

获取类中的bits

有了目标后，我们就要先想办法把bits取出来才能具体研究bits中的data。工程里创建一个FCPerson对象，打上断点，跑起来，然后开始使用lldb：

使用x/4gx FCPerson.class打印出FCPerson的内容：

image.png

可以知道输出的结果就是objc_class的成员变量，但是对照着objc_class的定义，如何取出bits呢？

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
}

目前我们已有的是FCPerson的首地址，尝试通过内存平移的方法找到bits。已知的是objc_class中isa所占字节为8，Class superclass所占字节为8，cache_t所占多少字节呢�？进去看cache_t的源码，去掉无用代码后如下：

struct cache_t {
private:
    explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask;
    union {
        struct {
            explicit_atomic<mask_t>    _maybeMask;
#if __LP64__
            uint16_t                   _flags;
#endif
            uint16_t                   _occupied;
        };
        explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache;
    };
}

可以看到cache_t为结构体，第一个成员变量explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask大小为8字节（typedef unsigned long uintptr_t;），第二个成员变量是一个联合体，explicit_atomic<mask_t> _maybeMask占4字节（typedef uint32_t mask_t），_flags和_occupied分别占2字节，explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache;占8字节（preopt_cache_t *是指针类型）。

得出结论：cache_t所占大小为16字节。

接下来，我们通过类首地址0x00000001000042a8进行平移8(isa) + 8(superClass) + 16(cache)得到：

image.png

0x00000001000042f0是不是bits呢？我们先把他强转一下：

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查看class_data_bits_t定义，可以看到他包含着关于class_rw_t* data()的方法：

class_rw_t* data() const {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
    void setData(class_rw_t *newData)
    {
        ASSERT(!data()  ||  (newData->flags & (RW_REALIZING | RW_FUTURE)));
        // Set during realization or construction only. No locking needed.
        // Use a store-release fence because there may be concurrent
        // readers of data and data's contents.
        uintptr_t newBits = (bits & ~FAST_DATA_MASK) | (uintptr_t)newData;
        atomic_thread_fence(memory_order_release);
        bits = newBits;
    }

我们尝试调用一下：

image.png

调用成功，得到了class_rw_t类型的结果！并且还提示了我们调用方法要使用->，强迫症的我就重新来一遍：

image.png

至此，成功取出了bits并且得到了class_rw_t类型的数据集合！

在`class_rw_t`中找出属性

重新拿出刚刚在class_rw_t定义中看到的内容：

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 *>(&ro_or_rw_ext)->methods;
        } else {
            return method_array_t{v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext)->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 *>(&ro_or_rw_ext)->properties;
        } else {
            return property_array_t{v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext)->baseProperties};
        }
    }

先从属性列表properties来测试：

image.png

可以看到property_array_t为list_array_tt类型，其中的property_t定义为：

struct property_t {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

property_t就是我们最终要获取到的属性，先取出list：

image.png

（同样的命令p &17.list居然时好时坏-。-）

取出list中的ptr得到一个property_list_t *const数组：

image.png

使用*输出property_list_t的内容（隔了一天， $19变成了$ 23 -。-）：

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得到了新类型的数据，并且还看到entsize_list_tt中count = 2。
进入entsize_list_tt的定义看到他是一个结构体，其中包含了一个get方法：

Element& get(uint32_t i) const { 
        ASSERT(i < count);
        return getOrEnd(i);
    }
Element& getOrEnd(uint32_t i) const { 
        ASSERT(i <= count);
        return *PointerModifier::modify(*this, (Element *)((uint8_t *)this + sizeof(*this) + i*entsize()));
    }

尝试调用get方法：

image.png

得到了name属性！因为已知count = 2所以再次调用得到age：

image.png

再次调用get(2)会怎样？数组越界咯，大家自己去试~

至此属性的获取已经完成，接下来用同样的方法获取方法！

在`class_rw_t`中找出方法：

image.png

采用同样的方法获取method发现问题：对entsize_list_tt使用get()方法时拿到的方法都是空的。
跟属性相同，我们要获取的目标为method_t，对比method_t和property_t的源码会发现method的成员变量不在表层，截取核心代码如下：

struct method_t {
    method_t(const method_t &other) = delete;

    struct big {
        SEL name;
        const char *types;
        MethodListIMP imp;
    };

big &big() const {
        ASSERT(!isSmall());
        return *(struct big *)this;
    }
}

由源码可得在method_t中的big结构体才是我们需要的结果，我们来试一试：

image.png

至此，得到了属性的setter，getter方法，我们定义的instanceMethod方法，和一个.cxx_destruct方法，经查阅资料得知.cxx_destruct方法是在ARC模式下，将所有的成员变量变成nil相当于MRC模式下的dealloc，同时在init方法中也找到了.cxx_destruct的赋值：

void sel_init(size_t selrefCount)
{
#if SUPPORT_PREOPT
    if (PrintPreopt) {
        _objc_inform("PREOPTIMIZATION: using dyld selector opt");
    }
#endif

  namedSelectors.init((unsigned)selrefCount);

    // Register selectors used by libobjc

    mutex_locker_t lock(selLock);

    SEL_cxx_construct = sel_registerNameNoLock(".cxx_construct", NO);
    SEL_cxx_destruct = sel_registerNameNoLock(".cxx_destruct", NO);
}

获取成员变量和类方法

至此我们已经获取了属性和实例方法，但是属性中没有看到成员变量，方法列表里也没有类方法，我们来继续探究，先来成员变量:

抄近路：在我查看property和method区别时，看到了ivar_t的定义，这应该就是成员变量，我通过搜索ivar_t层层倒推：ivar_t->ivar_list_t->class_ro_t，最终在class_rw_ext_t中找到了class_ro_t：

struct class_rw_ext_t {
    DECLARE_AUTHED_PTR_TEMPLATE(class_ro_t)
    class_ro_t_authed_ptr<const class_ro_t> ro;
    method_array_t methods;
    property_array_t properties;
    protocol_array_t protocols;
    char *demangledName;
    uint32_t version;
};

知道了寻找路径就很容易啦~：

image.png

成功获取成员变量hobby~

最后还剩类方法，按照class_rw_ext_t的定义来看，类方法应该只可能在methods里面，我重新阅读了一遍methods的源码以及method_t的相关定义，都没有找到类方法。结合isa的走位图和之前看过的一句话：类方法是父类的实例方法，我就想利用获取methods的流程对FCPerson的父类NSObject走一遍，看看能不能找到，结果：