Objective-c isa、superclass指针深究，元类superclass指向基类本身

研究iOS isa指针本质需要要了解类的本质和结构，我们都知道iOS的对象基本都是基于NSObject的子类。我们来看看NSObject的头文件，可以看到有一个Class类型的isa成员变量。

interface NSObject <NSObject> {
.....
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
.....
}

在NSobject的协议里有个Class类型的superclass成员变量，如下

@protocol NSObject
.....
@property (readonly) Class superclass;
.....
@end

接下来我们看一个经典的指针逻辑分析图，分别看Objective-C面向对象语言的设计、函数调用、成员变量的存储和访问是如何实现的，为什么不能多继承。

iOS对象isa、superclass指针

这个张图可以看到三个类，Rootclass、Spuerclass、Subclass，分别为基类父类和子类，左边到右边分别为实例对象、类对象及元类，咋一看有点分不清。我们手下要搞清楚，iOS中的对象分为实例对象、类对象、元类对象。举个🌰例子，我们新建一个Persion（人）对象继承NSObject，再建一个Woman（女人）对象继承Person，那么这个Subclass相当于Woman，Superclass相当于Person，NSObject相当于Rootclass。左边的Instance代表对象的实例，也就是我们alloc出来的实例。
图中，实例的isa指向类对象，类对象的isa指向元类对象。子类的superclass指向父类，父类的superclass元类。这里特别注意的是元类的isa指针都指向基类的元类对象，基类的元类isa指向自己，基类的元类的superclass指向基类的类对象。下面我们用代码来演示一下，证明isa及superclass的指正指向问题，。

@interface Person : NSObject
//姓名
@property(nonatomic,strong) NSString *name;
//性别
@property(nonatomic,assign) int sex;
@end

@implementation Person

@end


@interface Woman : NSObject
//头发颜色
@property(nonatomic,strong) NSString *hairColor;
@end

@implementation Woman

@end



int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        //NSObject实例
        NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
        //Person实例
        Person *person = [[Person alloc] init];
        //Woman实例
        Woman *woman = [[Woman alloc] init];
        
        return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
    }
}

我们先建三个类，我们获取object、person、woman的isa指针地址，然后再获取三者的类对象，在获取类对象的isa指针地址，在获取元类对象的内存地址，来看一看isa指针的指向问题。

        Woman *woman = [[Woman alloc] init];
        Class class = [Woman class];
        Class metaClass = object_getClass([Woman class]);
        NSLog(@"\n woman %p \n class %p \n metaClass %p",woman,class,metaClass);
        NSLog(@"\n woman->isa %p \n class->isa %p \n metaClass->isa %p",[woman valueForKey:@"isa"],[class valueForKey:@"isa"],[metaClass valueForKey:@"isa"]);
        //打印结果
         woman 0x600000f24160 
         class 0x106f11218 
         metaClass 0x106f111f0

         woman->isa 0x106f11218 
         class->isa 0x106f111f0 
         metaClass->isa 0x1083bbe78

由于isa有保护，我们可以通过 kvc的方式获取，也可以参考写个Class结构体，通过bridge 强转桥接C/C++再访问isa对象地址，前提是你要通过clang编译器编译出对象结构体，知道它长什么样。
可以看出实例对象woman->isa 0x106f11218 等于 Woman 类对象class 0x106f11218的内存地址，Woman 类对象的isa地址class->isa 0x106f111f0 等于元类对象metaClass 0x106f111f0内存地址。可以用同样的方式验证，类对象的superclass指针指向父类，父类的superclass指向基类。还有元类的isa指向基类的元类，基类元类的superclass指向基类。注意，其中这里的内存地址不为真正的内存地址，真正的内存地址由于苹果做类掩饰需要需ISA_MASK进行位运算，ISA_MASK通过runtime源码可以查出为0x0000000ffffffff8，然后可以通过debug的lldb命令打印真正的内存地址，例如womon实例对象的真正内存地址为 p/x (long) woman & 0x0000000ffffffff8，结果为0x0000000000f24160，与debug窗口左边的值一致。如图

2.png

下面我们来说说方法调用和属性访问的问题，我们知道iOS是通过运行时发消息的机制调用方法。那么如何子类如果没有重写父类的方法是如何掉用到的呢。我们要了解Class中函数、协议、成员变量存放的位置。在iOS中成员变量的描述，对象方法，协议都是存放在类对象里的，实例对象的具体值是存在实例对象里的，类方法是存放在元类对象中的。
通过上述可以我们应该可以了解，调用对象方法的时候，会通过实例对象的isa找到类对象，如果类对象存在该方法，如果没有，则会通过类对象的superclass找到父类，去父类里面找，如没找到会继续像父类的父类去找，没找到则会报unrecognized selector sent to instance的错，协议亦是如此。
类方法的调用则是通过类对象的isa找到元类，去元类里去找，如果找不到则会通过superclass指针到父类的元类去找，如果找不到，则会和对象方法报一样的错误。

一个神奇的问题

由于基类的元类的superclass指向基类，我们会发现一个神奇的问题，如果一个类方法一直找不到，发现基类的对象法存在，则会调用基类的对象方法，也就是子类的一个+方法，调用了基类的一个-方法。这个是应为iOS的消息机制方法调用的时候没有区分对象方法和类方法，下面我们通过代码验证一下这个问题。我们定义一个NSObject的类别，里面给NSObject加一个对象方法。

@interface NSObject (Learning)
-(void)magicalMethod;
@end


@implementation NSObject (Learning)
-(void)magicalMethod{
    NSLog(@"打印一个神奇的方法")
}
@end

然后我们在定义一个Cat对象继承NSObject，我们在里面写一个类方法声明不写实现（为了编译通过）。也可以通过performSelector或者runtime发消息调用magicalMethod类方法，则不用声明。

#import "NSObject+Learning.h"

@interface Cat : NSObject
+(void)magicalMethod;
@end

@implementation Cat
@end

我们在调用Cat的类方法+(void)magicalMethod会惊奇的发现竟然打印过了
通过类别拓展的NSObject的-(void)magicalMethod的对象方法。

[Cat magicalMethod];
//打印结果
//2019-08-13 15:43:25.394334+0800 learning[53924:3185925] 打印一个神奇的方法

这个就很好的证明了，基类的元类对象的superclass指向基类本身。