前言：

在了解了類與isa的關聯後，了解了isa是如何關聯到類以及isa內部存在的信息分佈，接下來我們來探討類的isa走位以及類的結構底層存在了什麼呢？

類的分析：

延續著isa的關聯，分析isa走位，以及isa之間的繼承關係。

準備工作

透過以下例子，探索類的繼承關係
定義兩個類 Person類繼承自NSObject Teacher類繼承自Person類

//Person 類的聲明
@interface Person : NSObject
{
    int _age;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;

- (void)sayHi;
+ (void)eat;

@end
//Person類的實現
@implementation Person
- (void)sayHi
{
    NSLog(@"大家好");
}
+ (void)eat
{
    NSLog(@"吃吃吃");
}
@end
//----------------------------------------------------------------------------
//Teacher類的聲明
@interface Teacher : NSObject

@end
//Teacher類的實現
@implementation Teacher

@end
//----------------------------------------------------------------------------
//main.m文件

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *p1 = [[Person alloc]init];
        Teacher *t1 = [[Teacher alloc]init];
        NSLog(@"Hello, World! %@ - %@",p1,t1);
    }
    return 0;
}

打印調試

先下一個斷點在Teacher，即已執行Person *p1 = [[Person alloc]init];

問題

為什麼p/x 0x001d80010000227d & 0x00007ffffffffff8ULL 打印出的信息與p/x 0x0000000100002250 & 0x00007ffffffffff8ULL 都是LGPerson ？
- 0x001d80010000227d 是p1對象的isa指針地址，其&後得到的結果是創建person的类LGPerson
- 0x0000000100002250是isa中獲取的類信息所指的類的isa的指針地址，即LGPerson類的類的isa指针地址，在Apple中，我们簡稱LGPerson類的類為元類。

什麼是元類

我們知道對象的isa是指向類，類的其實也是一個對象，可以稱為類對象，其isa的位域指向蘋果定義的元類
元類是系统給的，其定義和創建都是由編譯器完成，在這個過程中，類對象指向元類。
元類是類對象的類，每個類都有一個獨一無二的元類用來存儲類方法的相關信息。
元類本身是沒有名稱的，由於與類相關聯，所以使用了一樣的名稱

NSObject有幾個？

從圖中可以看出，最後的根元类是NSObject，這個NSObject與我們日開開發中所知道的NSObject是同一個嗎？

證明NSObject只有一份

lldb命令驗證

我們也通過lldb調試，來驗證這兩個NSObject是否是同一個，如下圖所示

從圖中可以看出，最後NSObject類的元類也是NSObject，與上面的LGPerson中的根元類（NSObject）的元類，是同一個，所以可以得出一個結論：内存中只存在存在一份根元類NSObject，根元類的元類是指向它自己

程式碼驗證

通過三種不同的方式獲取類，看他們打印的地址是否相同


void testClassNum(){
    Class class1 = [LGPerson class];
    Class class2 = [LGPerson alloc].class;
    Class class3 = object_getClass([LGPerson alloc]);
    NSLog(@"\\n%p-\\n%p-\\n%p-\\n", class1, class2, class3);
}

打印結果，三個地址都相同，證明NSObject只有一份，即NSObject根元類在內存中只存一份

類存在幾份？

由於類的信息在內存中永遠只存在一份，所以類對象只有一份

isa指向&繼承關係(經典圖)

以上驗證了，對象，類，元類，根元類的關係圖如下。

006.png

isa指向

isa的走向有以下幾點說明：

實例對象（Instance of Subclass）的isa指向類對象（class）
類對象（class） isa 指向 元類（Meta class）
元類（Meta class）的isa指向根元類（Root metal class）
根元類（Root metal class）的isa指向它自己本身，就是NSObject

superclass指向

superclass（即繼承關係）的走向也有以下幾點說明：

類之間的繼承關係
- 類（subClass） 繼承自 父類（superClass）
- 父類（superClass）繼承自根類（RootClass），此時的根類是指NSObject
- 根類繼承自nil，所以根類即NSObject可以理解為萬物起源，即無中生有
元類也存在繼承，元類之間的繼承關係如下：
- 子類的元類（metal SubClass） 繼承自 父類的元類（metal SuperClass）
- 父類的元類（metal SuperClass） 繼承自 根元類（Root metal Class）
- 根元類（Root metal Class）繼承於根類（Root class），此時的根類是指NSObject

【注意】實例對象之間沒有繼承關係 。

isa 指向鏈

teacher的isa走位鏈：t1(子類对象) --> Teacher（子類）--> Teacher（子元類） --> NSObject（根元類） --> NSObject（根根元類，即自己）
person的isa走位圖：p1(父類对象) --> Person （父類）--> Person（父元類） --> NSObject（根元類） --> NSObject（根根元类，即自己）

superclass繼承鏈

類的繼承關係鏈：Teacher（子類） --> Person(父類) --> NSObject（根類）--> nil
元類的繼承關係鏈：Teacher（子元類） --> Person(父元類) --> NSObject（根元類）--> NSObject（根類）--> nil

為什麼對象和類都有isa屬性？

了解了isa指向，以及類的繼承，但是為什麼對象與類都有isa屬性呢，請接下看下去。

探索objc_class & objc_object

我們透過isa與類的關係這篇文章中，利用了clang編譯main.m文件，從從編譯後C++文件中，可以看到如下C++源碼。

isa與類的關係

NSObject的底層編譯是NSObject_IMPL 結構體
- 其中Class是isa指針類型，是由objc_class 定義類型
- objc_class 是一個結構體，iOS中，所有Class都是以objc_class 為模板創建的
```
struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

typedef struct objc_class *Class;
```

objc_class

在objc源碼中搜索objc_class 的定義，可以看到舊版及新版
舊版-runtime.h文件中struct objc_class (棄用)

新版- objc-runtime-new.h 中struct objc_class (objc4-781最新優化)
新版struct objc_class 繼承自objc_object

objc_object

在objc源碼中搜索objc_object 的定義，可以看到舊版及新版

在源碼中可以看到objc.h 文件中的objc_object

objc-privat.h
編譯後的main.cpp中的objc_object的定義

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa __attribute__((deprecated));
};

objc_class & objc_object之間的關係

結構體類型objc_class繼承自objc_object ,objc_object 這個結構體內部有一個isa屬性，所以objc_class 也擁有isa 屬性
main.cpp底層編譯文件中，NSObject中的isa在底層是由Class定義，其中class的底層編碼來自objc_class 類型，所以NSObject 也擁有了isa屬性

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

typedef struct objc_class *Class;

NSObject 是一個類,任何類都繼承於他,使用NSObject 來實例化一個對象，而這個對象擁有了objc_object的特性，等同於擁有isa這個屬性，而這個isa由objc_class繼承過來，又objc_class繼承自objc_object，objc_object有isa屬性，所以對象都有一個isa，來自於當前的objc_object。
實例化對象底層編譯為objc_object ，即擁有isa屬性，另外所有的類繼承於NSObject 類，經由編譯後，變成了objc_class 結構體，繼承於objc_object 自然也擁有isa屬性。

objc_object 與對象的關係
- 所有的對象 經由編譯會變成結構體objc_object
- 所有的對象是來自NSObject (OC)，但是真正到底層的是一個objc_object（C/C++）的結構體類型
objc_object與對象的關係是繼承關係

總結

所有的對象+ 類+ 元類都有isa屬性
所有的對象都是由objc_object繼承來的
萬物皆來源於objc_object，有以下兩點結論：
- 所有以objc_object為模板創建的對象，都有isa屬性
- 所有以objc_class為模板，創建的類，都有isa屬性
在結構層面可以理解為上層OC與底層C/C++的對接：
- 下層是通過結構體定義的模板，例如objc_class、objc_object
- 上層是通過繼承NSObject類，而NSObject底層編譯後，繼承得是擁有isa屬性的objc_object

類的結構分析

我們知道了萬物的起源NSObject，其實是來自於底層編譯後的objc_class ，那麼這個結構體objc_class 又有了哪些屬性呢，接著就來分析這個結構體

  struct objc_class : objc_object {
      // Class ISA; //8字節
      Class superclass; //Class 类型 8字節
      cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
      class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
  }

isa屬性：繼承自objc_object的isa，佔8字節。
superclass屬性：Class類型，Class是由objc_object定義的，是一個指针，佔8字節
cache屬性：簡單從類型cache_t目前無法得知，而cache_t是一個結構體類型，結構體的内存大小需要根據内部的屬性來確定，而結構體指針才是8字節。
bits屬性：只有首地址經過上面3個屬性的內存大小總和的平移，才能獲取到bits。

計算`cache_t` 類的內存大小

    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

【情況一】if流程

buckets類型是struct bucket_t *，是結構體指针類型，佔8字節
mask是mask_t類型，而mask_t是unsigned int的別名，佔4字節
【情況二】elseif流程
_maskAndBuckets是uintptr_t類型，它是一個指针，佔8字節
_mask_unused是mask_t類型，而mask_t是uint32_t類型定義的別名，佔4字節

計算前兩個屬性的内存大小，有以下兩種情況，內存大小總和都是12字節

_flags是uint16_t類型，uint16_t是unsigned short的別名，佔2個字節
_occupied是uint16_t類型，uint16_t是unsigned short的別名，佔2個字節

總結：所以最後計算出cache類的內存大小= 12 + 2 + 2 = 16字節

獲取bits

所以有上述計算可知，想要獲取bit的內容，只需要通過類的首地址平移32個字節即可。

以下通過lldb命令調適的過程。

其中的data()就是objc_class的提供的方法，透過訪問data()獲取bits數據

從對象$2可以看到data()的數據，是一個結構體，但內部沒有屬性列表，方法列表 ，那我們查看他的類型(class_rw_t)

探索屬性列表(property list)

透過查看類型class_rw_t ，可以發現這個結構體class_rw_t 有提供methods(),properties(),protocols() 方法獲取屬性列表,方法列表。

了解結構體class_rw_t 內部提供的方法，我們繼續探索屬性列表，流程如下。

p $3.properties()命令中的properties方法是由class_rw_t提供的,方法中返回的實際類型為property_array_t 。
由於list的類型是property_list_t，是一個指針，所以通過p *$4獲取內存中的信息，同時也證明bits中存儲了property_list，即屬性列表。
但是當我們想取得成員變量，卻發現數組越界，那麼也代表property_list 中只有一個屬性name。

獲取成員變量存儲位置

由此可得出property_list 中只有屬性，沒有成員變量。
屬性與成員變量兩者差異，就是屬性@property編譯後有生成get跟set方法
接下來我們通過查看objc_class中bits屬性中存儲數據的類class_rw_t的定義發現，除了methods、properties、protocols方法，還有一個ro方法，其返回類型是class_ro_t，通過查看其定義，發現其中有一個ivars屬性，我們可以做如下猜測：是否成員變量就存儲在這個ivar_list_t類型的ivars屬性中呢？
探索成員變量(lldb調適流程)

class_ro_t結構體中的屬性如下所示，想要獲取ivars，需要ro的首地址平移48字節

 struct class_ro_t {
     uint32_t flags;     //4
     uint32_t instanceStart;//4
     uint32_t instanceSize;//4
 #ifdef __LP64__
     uint32_t reserved;  //4
 #endif

     const uint8_t * ivarLayout; //8

     const char * name; //8
     method_list_t * baseMethodList; // 8
     protocol_list_t * baseProtocols; // 8
     const ivar_list_t * ivars;

     const uint8_t * weakIvarLayout;
     property_list_t *baseProperties;

 }

總結

通過@interface{ }定義的成員變量，會儲存在類的bits屬性中，通過bits→data()→ro()→ivars獲取成員變量列表，有成員變量(hobby)以及屬性定義的成員變量(name)
通過@property定義的屬性，也會存儲在bits屬性中，通過bits → data() → properties() → list獲取属性列表，其中只包含屬性

探索方法列表，即methods_list

在LGPerson類裡面添加兩個方法

 @interface LGPerson : NSObject
 {
 NSString *hobby;
 }

 @property (nonatomic, copy) NSString *name;

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

 @implementation LGPerson
 - (void)sayHello
 {
 }
 + (void)sayHappy
 {   
 }

 @end

通過lldb調適來獲取方法列表，步驟如圖所示
通過p $3.methods()獲得具體的方法列表的list結構，其中methods也是class_rw_t提供的方法
通過打印的count = 4可知，存儲了4個方法,可以通過p $6.get(i)內存偏移的方式獲取單個方法,i的範圍是0-3
如果在打印p $6.get(4)，獲取第五個方法，也會報錯，提示數組越界
如此以來可以找到對象方法，但是類方法呢？接著我們探索類方法的儲存位置

類方法儲存位置
- 透過上述查找methods→list 內部只有實例方法，沒有發現類方法。
- 類對象的isa指向元類，元類用來儲存類的相關信息，於是猜測類方法是否儲存在元類的bits中，如下圖透過lldb調適流程。

通過元類方法列表打印結果，確實類方法儲存在元類裡

總結

類的實例方法儲存在類的bits屬性中，通過bits --> methods() --> list 獲取方法實例方法實例列表，列表中除了擁有實例方法，還有set方法即get方法。
類的類方法 儲存在元類的bits屬性中，通過元类bits --> methods() --> list獲取類方法列表。

類的結構分析

前言：

類的分析：

準備工作

打印調試

問題

什麼是元類

NSObject有幾個？

證明NSObject只有一份

類存在幾份？

isa指向&繼承關係(經典圖)

isa指向

superclass指向

為什麼對象和類都有isa屬性？

探索objc_class & objc_object

objc_class

objc_object

objc_class & objc_object之間的關係

objc_object 與對象的關係

類的結構分析

計算cache_t 類的內存大小

獲取bits

探索屬性列表(property list)

獲取成員變量存儲位置

探索方法列表，即methods_list

類方法儲存位置

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計算`cache_t` 類的內存大小