iOS底层原理--类的结构分析

在前一篇文章中，我们已经探讨了iOS底层原理--isa与类关联的原理，isa包含了Class类，从而将isa与Class类进行了关联。
那么，我们现在来看下类的结构分析。

首先我们还是看一段代码

//
//  main.m
//  KCObjc
//
//  Created by Cooci on 2020/7/24.
//

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "LGPerson.h"
#import <objc/runtime.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        
        // objc_alloc VS alloc
        // NSObject LGPerson
        // NSObject 根类
        // sel 处理 llvm
        
        //   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
        NSObject *objc1 = [NSObject alloc];
        LGPerson *objc2 = [LGPerson alloc];
        // LGPerson *objc3 = [LGPerson alloc];

        NSLog(@"Hello, World!  %@",objc2);
    }
    return 0;
}

我们将断点打到objc2处，然后查看objc2的内存情况。

image.png

x/4gx表示查看objc2的内存情况

通过上面的输出，我们看到了内存，然后我们知道，内存中第一位代表了对象的isa指针的地址，所以0x001d800100002205这个表示isa指针的地址。
通过iOS底层原理--isa与类关联的原理这篇文章，我们将isa于ISA_MASK进行与运算可以得的isa指针指向的类的地址，我们进行验证。

ISA_MASK在x86_64中的地址0x00007ffffffffff8ULL

LGPerson.png

通过上面的图片我们可以看到，经过与运算后，我们得出了最后得到的地址中存放了LGPerson，至此我们可以得到结论。对象的isa指针指向了类。
然后我们再来一步，将类的isa拿出来和ISA_MASK进行与运算，得到什么呢？我们验证一下。

LGPerson.png
看到输出结果，显示还是LGPerson,为什么呢？这就是所谓的元类。

元类(Meta Class)

我们都知道对象的isa是指向类，类的其实也是一个对象，可以称为类对象，其isa的位域指向苹果定义的元类
元类是系统给的，其定义和创建都是由编译器自动完成，在这个过程中，类的归属来自于元类
元类是类对象的类，每个类都有一个独一无二的元类用来存储类方法的相关信息。
元类本身是没有名称的，由于与类相关联，所以使用了同类名一样的名称

上面这段话摘自Style_月月的文章iOS-底层原理 08：类 & 类结构分析,大家也可以去看看她的其他文章，都写的非常详细。

那么我们接着按照上面的流程进行探索

首先我们得到LGPerson的元类

元类
此事可以看到，在LGPerson的元类中，我们仍然可以拿到isa指针。那么我们用isa于ISA_MASK进行与运算，得到什么呢？请往下看。

NSObject.png

可以看到，经过一系列的操作，LGPerson的元类最终竟然指向了NSObject。
而且NSObject的首地址和isa指针的地址相同，所以也可以说明NSObject指向的是自己。

那我们看看NSObject的情况，

NSObject.png

可以看到，这次打印的地址跟我们之前得到的NSObject地址不一样，难道NSObject在内存中有多份吗？那我们再打印一下完整的地址。

NSObject.png

再和之前的地址对比一下，可以看到一样。

所以得出结论，LGPerson元类的isa指针并不是指向NSObject，而是指向NSObject的元类，即根元类，而NSObject也是指向根元类，而根元类最终指向自己。

走位图.png

上面就是isa和继承关系的走势图，总结如下:

isa

实例对象isa指向类对象
类对象isa指向元类
元类isa指根(NSObject)元类
根(NSObject)元类指向自己

superclass(继承关系)

子类继承自父类
类才有继承关系，而实例对象不存在继承关系
所有类都继承NSObject,而NSObject继承自nil
NSObject的元类也继承自NSObject

objc_object & objc_class

在我们之前的分析中，通过clang进行解析

#ifndef _REWRITER_typedef_LGPerson
#define _REWRITER_typedef_LGPerson
typedef struct objc_object LGPerson;
typedef struct {} _objc_exc_LGPerson;
#endif

extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_LGPerson$_name;
struct LGPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;  //isa
    NSString *_name;
};

可以看到LGPerson是objc_object类型的，LGPerson的底层编译LGPerson_IMPL中又包含了NSObject_IMPL,NSObject_IMPL是一个结构体，包含了Class isa

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

Class又是一个objc_class类型的结构提体。

typedef struct objc_class *Class;

所以，objc_object就是一个根类，而objc_class定义了一个Class，这证明了每个对象都有isa指针。
而从我们的源码，可以看出来objc_class继承自objc_object

objc_object & objc_class.png

内存偏移

在接着往下分析之前，我们来了解一个知识 -- 内存偏移。

普通指针

先看下面的案例,打印a、b的值和地址。

   int a = 10;
   int b = 10;
   //打印地址和
   NSLog(@"%d --- %p",a,&a);
   NSLog(@"%d --- %p",b,&b);

如下图所示

image.png

a、b都指向10，但是a、b的地址不一样，这是一种拷贝，属于值拷贝，也称为浅拷贝。
a,b的地址之间相差 4 个字节，这取决于a、b的类型

对象指针

   LGPerson *p1 = [LGPerson alloc];
   LGPerson *p2 = [LGPerson alloc];
   NSLog(@"%@ --- %p",p1,&p1);
   NSLog(@"%@ --- %p",p2,&p2);

打印结果如下所示:

image.png

p1、p2 是指针，p1 是指向[LGPerson alloc]创建的空间地址，即内存地址，p2 同理

&p1、&p2是指向 p1、p2对象指针的地址，这个指针就是二级指针

数组指针

   //数组指针
   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);

打印结果如下:

image.png

&c和&c[0]都是取首地址，即数组名等于首地址
&c 与 &c[1] 相差4个字节，地址之间相差的字节数，主要取决于存储的数据类型
可以通过首地址+偏移量取出数组中的其他元素，其中偏移量是数组的下标，内存中首地址实际移动的字节数等于偏移量 * 数据类型字节数

类结构

我们已经知道，类在底层最终会转化成objc_class,objc_class结构如下所示，

image.png

而bits有我们需要的所有信息，那么要拿到bits，我们需要进行内存偏移。
那么看看bits前面的东西有多大，进行多少偏移。

isa属性：继承自objc_object的isa，占 8字节
superclass属性：Class类型，Class是由objc_object定义的，是一个指针，占8字节
cache,是一个cache_t类型的结构体，所以我们来分析下cache

cache_t

我们来看看cache_t的结构,进入cache类cache_t的定义（只贴出了结构体中非static修饰的属性，主要是因为static类型的属性不存在结构体的内存中），有如下几个属性

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

【情况一】if流程
- buckets 类型是struct bucket_t *，是结构体指针类型，占8字节
- mask 是mask_t类型，而mask_t是unsigned int 的别名，占4字节
【情况二】elseif流程
- _maskAndBuckets 是uintptr_t类型，它是一个指针，占8字节
- _mask_unused是mask_t 类型，而mask_t 是uint32_t 类型定义的别名，占4```字节
- _flags是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占2个字节
- _occupied是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2```个字节

总结：所以最后计算出cache类的内存大小 = 12 + 2 + 2 = 16字节

所以最终要拿到bits需要平移32位。

class_data_bits_t

首先打印出LGPerson

LGPerson.png
拿出首地址0x100002200平移32位得到0x100002220，得到bits

bits .png
获取data()

data() .png
获取class_rw_t

class_rw_t .png
获取属性列表properties()

properties .png
我们可以看到里面是一个list,获取其中的元素

image.png

可以看到list中的属性与我们LGPerson中的属性一致。