类的结构分析

在本篇文章中，我们一起来探索类的结构。

分析

在runtime中我们可以通过object_getClass方法获取实例对象的类信息

     LYPerson *person = [[LYPerson alloc] init];
     Class p = object_getClass(person)

我们来看下 Class的实现

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA; // 1
    Class superclass;   // 2
    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 { //3
        return bits.data();
    }
}
  • 1，继承自 objc_object默认都会有 isa指针。
  • 2，superclass:其父类信息。
  • 3, class_rw_t: 类的具体分析。

从 对objc_class整体的探索我们可以看到，类对象的第一部分由 isa指针组成。我们先来分析isa指向的问题

isa指向

在之前的文章 isa结构分析 一文中，我们分析了 isa指针的结构组成。如果对其结构不熟悉，可以进行查看。
我们先初始化一个实例对象person, person继承于 NSObject:

     LYPerson *person = [[LYPerson alloc] init];

1，我们先查看下实例对象person的内存分布

(lldb) x/4gx person // 1 打印类的内存分布
0x10061eca0: 0x001d8001000021b9 0x0000000000000000
0x10061ecb0: 0x646e6946534e5b2d 0x466e726574746150

2，通过ISA_MASK获取类信息

(lldb)  p/x 0x00007ffffffffff8ULL & 0x001d8001000021b9 // 获取类信息
(unsigned long long) $2 = 0x00000001000021b8

(lldb) po 0x00000001000021b8 // 打印类信息
LYPerson

⚠️我们可以看到 实例对象person的isa指针指向 LYPerson

3，我们直接查看LYPerson.class的内存分布来进行验证

(lldb) x 0x00000001000021b8 // 查看类信息的内存分布
0x1000021b8: e0 21 00 00 01 00 00 00 40 11 3f 00 01 00 00 00  .!......@.?.....
0x1000021c8: 20 f4 61 00 01 00 00 00 03 00 00 00 10 80 01 00   .a.............

(lldb) x LYPerson.class //直接查看 `LYPerson.class`的内存分布
0x1000021b8: e0 21 00 00 01 00 00 00 40 11 3f 00 01 00 00 00  .!......@.?.....
0x1000021c8: 20 f4 61 00 01 00 00 00 03 00 00 00 10 80 01 00   .a.............

我们可以看出 它们两个的内存空间是一样的，这就说明了实例对象的isa指向 类对象(Class)。
4，我们继续查看LYPerson类对象的内存分布

(lldb)  x/4gx LYPerson.class // 1,获取 Person的类信息
0x1000021b8: 0x00000001000021e0 0x00000001003f1140
0x1000021c8: 0x00000001014261b0 0x000680100000000f

我们可以看出 类对象的isa指向另一个类。
5，通过ISA_MASK得到类对象的指向

(lldb) p/x 0x00000001000021e0 & 0x00007ffffffffff8ULL // 2,与上ISA_Mask得到类信息，
// 得到类对象的isa，就得到类对象的指向元类
(unsigned long long) $12 = 0x00000001000021e0

⚠️ 这样我们就看出 类对象的isa指向元类。
6，查看 元类的内存分布，我们可以发现，元类也是一个类，也有isa

(lldb) x/4gx 0x00000001000021e0 // 3,查看元类的内存分布
0x1000021e0: 0x00000001003f10f0 0x00000001003f10f0
0x1000021f0: 0x000000010061f460 0x0005e03100000007

紧接着我们看下元类对象指向哪个类

(lldb) p/x 0x00000001003f10f0 & 0x00007ffffffffff8ULL // 查看 元类的指向
(unsigned long long) $13 = 0x00000001003f10f0

(lldb) po 0x00000001003f10f0 // 查看 元类 isa指向的类信息值
NSObject

⚠️ 原来，person对象的元类的isa指向 NSObject。

7，我们接着查看NSObject的内存分布

(lldb) x/4gx 0x00000001003f10f0 // 查看 NSObjec 的内存分布
0x1003f10f0: 0x00000001003f10f0 0x00000001003f1140
0x1003f1100: 0x0000000101406a80 0x0004e03100000007

⚠️ NSObjec的isa指向NSObjec本身

小结
  • 实例对象的 isa 指向 类对象， 类对象的isa指向 元类对象，元类对象的isa指向 NSObject, NSObject的 isa指向NSObject本身。
  • isa代表一种归属关系，实例对象的 归属 是 类对象,类对象的归属是 元类对象，元类对象的归属是 NSObjec, 元类的定义和创建都是由编译器自动创建的。

类的继承关系

我们新建一个LYTeacher类，LYPerson类 继承 于 LYTeacher

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        LYPerson *person = [[LYPerson alloc] init];
        LYTeacher *teacher = [[LYTeacher alloc] init];
        NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
        NSLog(@"%@", person.superclass);
        NSLog(@"%@", teacher.superclass);
        NSLog(@"%@", obj.superclass);
    }
    return 0;
}

其输出结果如下

2020-09-13 14:19:49.968665+0800 001[74326:2492359] LYTeacher
2020-09-13 14:19:49.969259+0800 001[74326:2492359] NSObject
2020-09-13 14:19:49.969316+0800 001[74326:2492359] (null)

我们可以看到 实例对象person的父类是 LYTeacher类对象，实例对象teacher的父类是NSObject类对象，实例对象obj的父类是nil。
⚠️OC对象的继承关系源于类，实例对象是没有继承关系的

综上所述，isa的指向和 类对象的继承可概括为下图

isa流程图.png

class_rw_t

属性的存储

在文章的开头部分，我们分析了 objc_class的整体结构，包含8字节的isa，8字节的superclass和 16字节的cache。接下来我们分析类的property和method是存在哪里的？
1，我们给LYPerson类新增一个name ,height属性和 -(void)sayHello方法

@interface LYPerson : NSObject
{
    NSInteger height;
}
@property(nonatomic, copy) NSString *name;
@property(nonatomic, copy) NSString *nickName;

-(void)sayHello;
+(void)say666;

@end

@implementation LYPerson
-(void)sayHello{
    NSLog(@"hello");
}

+(void)say666 {
    NSLog(@"6666");
}
@end

2，新建LYPerson类，并打印其类对象内存地址

(lldb) p/x LYPerson.class
(Class) $0 = 0x0000000100002338 LYPerson

3，class_data_bits_t bits属性在结构体内偏移32位置存放（0~7: isa，8~15：superclass，16 ~ 31: cache），我们通过首地址 + 偏移值得到 bits的值。

(lldb) p/x 0x0000000100002338 + 0x20 // 1
(long) $2 = 0x0000000100002358

(lldb) p (class_data_bits_t *)$2 // 2
(class_data_bits_t *) $3 = 0x0000000100002358

(lldb) p *$3 // 3
(class_data_bits_t) $4 = (bits = 4301859572)
  • 1，计算 class_data_bits_t bits的实际地址值。
  • 2，输出 bits。
  • 3，读取内存值。

4，获取 class_rw_t *data()的值

(lldb) p $4.data()
(class_rw_t *) $6 = 0x0000000100692af0

(lldb) p *$6
(class_rw_t) $7 = {
  flags = 2148007936
  witness = 0
  ro_or_rw_ext = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = 4294975792
  }
  firstSubclass = nil
  nextSiblingClass = NSUUID
}

5，从 class_rw_t 中获取 properties

(lldb) p $7.properties()
(const property_array_t) $8 = {
  list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002278
      arrayAndFlag = 4294976120
    }
  }
}

6，获取list数组

(lldb) p $8.list
(property_list_t *const) $9 = 0x0000000100002278

7，读取 list数组里面的值

(lldb) p *$9
(property_list_t) $10 = {
  entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> = {
    entsizeAndFlags = 16
    count = 2 // 1
    first = (name = "name", attributes = "T@\"NSString\",C,N,V_name")
  }
}
  • 1，count = 2:表示一共有2个属性。

8，我们依次获取属性值

(lldb) p $10.get(0) // 1
(property_t) $11 = (name = "name", attributes = "T@\"NSString\",C,N,V_name")
(lldb) p $10.get(1) // 2
(property_t) $12 = (name = "nickName", attributes = "T@\"NSString\",C,N,V_nickName")
(lldb) p $10.get(2) //3
Assertion failed: (i < count), function get, file /Users/ritamashin/Desktop/可编译objc源码/runtime/objc-runtime-new.h, line 438.
error: Execution was interrupted, reason: signal SIGABRT.
The process has been returned to the state before expression evaluation.
  • 1,2, :依次读取第一个属性和第二个属性。
  • 3，当读取第3个属性时，数组越界报错，但我们在类里面定义了 2个属性和1个成员变量，成员变量去哪里了？？？。
成员变量的存储

我们对源码进行分析，在class_ro_t中有const ivar_list_t * ivars，我们通过 class_rw_t找到 class_ro_t，然后对 ivars 进行查看。

(lldb) p $7.ro() \\ 1
(const class_ro_t *) $26 = 0x0000000100002130
  • 1，$7 是 class_rw_t结构体，调用ro()方法，得到 class_ro_t对象。
(lldb) p $26->ivars  \\1
(const ivar_list_t *const) $28 = 0x0000000100002210
(lldb) p $28 
(const ivar_list_t *const) $28 = 0x0000000100002210
(lldb) p *$28 \\2
(const ivar_list_t) $29 = {
  entsize_list_tt<ivar_t, ivar_list_t, 0> = {
    entsizeAndFlags = 32
    count = 3
    first = {
      offset = 0x00000001000022a8
      name = 0x0000000100000f2d "height"
      type = 0x0000000100000f87 "q"
      alignment_raw = 3
      size = 8
    }
  }
}
  • 得到ivars的值，得到ivars_list对象。
(lldb) p $29.get(0)
(ivar_t) $30 = {
  offset = 0x00000001000022a8
  name = 0x0000000100000f2d "height"
  type = 0x0000000100000f87 "q"
  alignment_raw = 3
  size = 8
}
(lldb) p $29.get(1)
(ivar_t) $31 = {
  offset = 0x00000001000022b0
  name = 0x0000000100000f34 "_name"
  type = 0x0000000100000f89 "@\"NSString\""
  alignment_raw = 3
  size = 8
}
(lldb) p $29.get(2)
(ivar_t) $32 = {
  offset = 0x00000001000022b8
  name = 0x0000000100000f3a "_nickName"
  type = 0x0000000100000f89 "@\"NSString\""
  alignment_raw = 3
  size = 8
}
(lldb) p $29.get(3)
Assertion failed: (i < count), function get, file /Users/ritamashin/Desktop/可编译objc源码/runtime/objc-runtime-new.h, line 438.
error: Execution was interrupted, reason: signal SIGABRT.
The process has been returned to the state before expression evaluation.
  • 依次读取 ivar_list的值，其值依次为height,_name,_nickName
小计

由此我们可以得出，属性存放在 properties里面，成员变量和@property属性生成的成员变量都存放在 ivars里面。

Methods

实例方法 (instance method)

9，获取 该类的方法列表

(lldb) p $7.methods()
(const method_array_t) $13 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002178
      arrayAndFlag = 4294975864
    }
  }
}

10，获取 method list

(lldb) p $13.list
(method_list_t *const) $14 = 0x0000000100002178
(lldb) p *$14
(method_list_t) $15 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
    entsizeAndFlags = 26
    count = 6
    first = {
      name = "sayHello"
      types = 0x0000000100000f7f "v16@0:8"
      imp = 0x0000000100000d10 (KCObjc`-[LYPerson sayHello])
    }
  }
}

11，依次获取method list里面的值

(lldb) p $15.get(0)
(method_t) $16 = { 
  name = "sayHello" // 1
  types = 0x0000000100000f7f "v16@0:8"
  imp = 0x0000000100000d10 (KCObjc`-[LYPerson sayHello])
}
(lldb) p $15.get(1) 
(method_t) $17 = { 
  name = ".cxx_destruct" // 2
  types = 0x0000000100000f7f "v16@0:8"
  imp = 0x0000000100000d40 (KCObjc`-[LYPerson .cxx_destruct])
}
(lldb) p $15.get(2) 
(method_t) $18 = {
  name = "name" // 3
  types = 0x0000000100000f95 "@16@0:8"
  imp = 0x0000000100000d80 (KCObjc`-[LYPerson name])
}
(lldb) p $15.get(3)
(method_t) $19 = {
  name = "setName:" // 4
  types = 0x0000000100000f9d "v24@0:8@16"
  imp = 0x0000000100000db0 (KCObjc`-[LYPerson setName:])
}
(lldb) p $15.get(4)
(method_t) $20 = {
  name = "setNickName:" //5
  types = 0x0000000100000f9d "v24@0:8@16"
  imp = 0x0000000100000e10 (KCObjc`-[LYPerson setNickName:])
}
(lldb) p $15.get(5)
(method_t) $21 = {
  name = "nickName" //6
  types = 0x0000000100000f95 "@16@0:8"
  imp = 0x0000000100000de0 (KCObjc`-[LYPerson nickName])
}
(lldb) p $15.get(6) // 7
Assertion failed: (i < count), function get, file /Users/ritamashin/Desktop/可编译objc源码/runtime/objc-runtime-new.h, line 438.
error: Execution was interrupted, reason: signal SIGABRT.
The process has been returned to the state before expression evaluation.
  • 1，实例方法 sayHello。
  • 2，类的析构方法。
  • 3，name属性的get方法。
  • 4，name属性的set方法。
  • 5，nickName的set方法。
  • 6，nickName的get方法。
  • 7，当我们试图查找 类方法 say666时，造成了数组越界报错了。

我们在 method_list里面只找到了对象的实例方法，那类方法存在哪里呢？

在文章的第一部分我们提到 isa代表一种归属关系，实例对象的 归属 是 类对象,类对象的归属是 元类对象，元类对象的归属是 NSObject。类对象里面存放了实例方法，那我们试着在 元类对象里面去查找类方法。

类方法(class method)
(lldb) p/x LYPerson.class \\ 1
(Class) $0 = 0x0000000100002338 LYPerson
(lldb) x/4gx 0x0000000100002338 \\2
0x100002338: 0x0000000100002310 0x00000001003f0140
0x100002348: 0x00000001003ea450 0x0000802c00000000
  • 1，输出 LYPerson类对象的首地址。
  • 2，查看 LYPerson类对象的内存分布，得到LYPerson类对象的元类地址 0x0000000100002310 
(lldb) p/x 0x0000000100002310 + 0x20 // 1
(long) $1 = 0x0000000100002330
(lldb) p (class_data_bits_t *)$1 
(class_data_bits_t *) $2 = 0x0000000100002330
  • 1，获取 class_data_bits_t的首地址
(lldb) p $2-> data() \\1
(class_rw_t *) $3 = 0x00000001010180f0
(lldb) p $3.methods() \\2
(const method_array_t) $4 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002110
      arrayAndFlag = 4294975760
    }
  }
}
  Fix-it applied, fixed expression was: 
    $3->methods()
  • 1，得到 class_rw_t对象。
  • 2，获得其 methods 
(lldb) p $4.list \\1
(method_list_t *const) $5 = 0x0000000100002110
(lldb) p *$5 
(method_list_t) $6 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
    entsizeAndFlags = 26
    count = 1
    first = {
      name = "say666"
      types = 0x0000000100000f7f "v16@0:8"
      imp = 0x0000000100000ce0 (KCObjc`+[LYPerson say666])
    }
  }
}
  • 1，得到 method_list_t对象
(lldb) p $6.get(0)
(method_t) $7 = {
  name = "say666"
  types = 0x0000000100000f7f "v16@0:8"
  imp = 0x0000000100000ce0 (KCObjc`+[LYPerson say666])
}
(lldb) p $6.get(1)
Assertion failed: (i < count), function get, file /Users/ritamashin/Desktop/可编译objc源码/runtime/objc-runtime-new.h, line 438.
error: Execution was interrupted, reason: signal SIGABRT.
The process has been returned to the state before expression evaluation.
  • 依次获取method_list里面的值，我们可以看到 类方法存在于元类对象的method_list里面。

小计：在这里我们从class_rw_t中找到了，LYPerson类对象里面的方法列表，属性列表，成员变量ivars。从此可见，类对象包含了isa指针，superClass类对象,属性列表和方法列表，实例方法存在类对象的method_list里面，类方法存在元类的method_list里面

总结：

我们在这篇文章中，我们探讨了 isa指针的指向，对象之间的继承关系和 类对象的组成结构。

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