Objective - C 对象的本质(四)isa与superclass

（一）isa指针

我们在前面几章一直提到isa指针，isa指针是三种对象中都有的成员变量，那么三种对象的isa指针有没有什么区别？指向哪里呢？
我们首先看下面的代码：

  MJPerson *personInstance = [[MJPerson alloc]init];
  personInstance.no = 432423;

  [personInstance personInstanceMethod];//instance对象 调用实例方法
  [MJPerson personClassMethod];//class对象 调用类方法

对消息发送机制有一定了解的同学，一定知道对象调用方法的时候，实际上是给对象发送消息,或者通过转换为C++代码后可以看到:

  MJPerson *personInstance = ((MJPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((MJPerson *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("MJPerson"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
  ((void (*)(id, SEL, NSInteger))(void *)objc_msgSend)((id)personInstance, sel_registerName("setNo:"), (NSInteger)432423);

  ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)personInstance, sel_registerName("personInstanceMethod"));

  ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("MJPerson"), sel_registerName("personClassMethod"));

但是问题来了，实例对象中并没有存放对象方法，类对象中没有存放类方法，它们是如何调用成功的呢？

isa指针的作用就在于此！

isa指针

(1)instance的isa

instance的isa指向class
当调用对象方法时，通过instance的isa找到class对象，最后找到对象方法的实现进行调用

(2)class的isa

class的isa指向meta-class
当调用类方法时，通过class的isa找到meta-class对象，最后找到类方法的实现进行调用

（二）superclass指针

class对象与meta-class都有super-class指针。那superclass指针又有什么作用呢？我们看看下面的代码：

@interface MJPerson : NSObject<NSCopying>

@property(nonatomic,assign) NSInteger no;

-(void)personInstanceMethod;

+(void)personClassMethod;

@end

@implementation MJPerson

-(void)personInstanceMethod{
    
}

+(void)personClassMethod{
    
}

-(id)copyWithZone:(NSZone *)zone{
    return nil;
}

@end

@interface MJStudent : MJPerson<NSCoding>

@property(nonatomic,assign) int height;

-(void)studentInstanceMethod;

+(void)studentClassMethod;

@end

@implementation MJStudent

-(void)studentInstanceMethod{
    
}

+(void)studentClassMethod{
    
}

-(instancetype)initWithCoder:(NSCoder *)coder{
    return nil;
}

-(void)encodeWithCoder:(NSCoder *)coder{
    
}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        MJStudent *student = [[MJStudent alloc]init];
        [student studentInstanceMethod];//调用instance方法
        [MJStudent studentClassMethod];//调用class方法
        
        [student personInstanceMethod];//调用MJPerson的instance方法
        [MJStudent personClassMethod];//调用MJPerson的class方法
        
        [student init];//调用NSObject的instance方法
        [MJStudent initialize];//调用NSObject的class方法
        
    }
    return 0;
}

同理main函数中的代码转为C++代码后：

  //MJStudent *student = [[MJStudent alloc]init];
  MJStudent *student = ((MJStudent *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)((MJStudent *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("MJStudent"), sel_registerName("alloc")), sel_registerName("init"));
  //[student studentInstanceMethod];
  ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)student, sel_registerName("studentInstanceMethod"));
  //[MJStudent studentClassMethod];
  ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("MJStudent"), sel_registerName("studentClassMethod"));
  //[student personInstanceMethod];
  ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)student, sel_registerName("personInstanceMethod"));
  //[MJStudent personClassMethod];
  ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("MJStudent"), sel_registerName("personClassMethod"));
  //[student init];
  ((MJStudent *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)student, sel_registerName("init"));
  //[MJStudent initialize];
  ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("MJStudent"), sel_registerName("initialize"));

可以看出并没有什么区别，同样是给instance对象和class对象发送信息，那么是如何找到父类的对象方法以及类方法并调用成功的呢？

superclass指针的作用就在于此！

class对象的superclass指针

meta-class对象的superclass指针

(1)instance对象的superclass

当Student的instance对象要调用Person的对象方法时，会先通过isa找到Student的class对象，然后通过superclass找到Person的class对象，最后找到对象方法的实现进行调用

(2)class对象的superclass

当Student的class对象要调用Person的类方法时，会先通过isa找到Student的meta-class对象，然后通过superclass找到Person的meta-class对象，最后找到类方法的实现进行调用

（三）isa、superclass总结

下面对isa、superclass进行总结：

isa、superclass调用流程图

instance对象的isa指向class对象
class对象的isa指向meta-class对象
注意：meta-class对象的isa指向基类的meta-class对象，基类的meta-class对象的isa指向自身
class对象的superclass指向父类的class对象；注意：如果没有父类，superclass指针为nil
meta-class对象的superclass指向父类的meta-class对象；注意：基类的meta-class的superclass指向基类的class对象
instance调用对象方法的轨迹，isa找到class；方法不存在，就通过superclass找父类
class调用类方法的轨迹，isa找meta-class；方法不存在，就通过superclass找父类

(1)疑问?

基类的class对象的superclass指针为nil，会造成什么结果？
答：如果instance对象调用intance方法，首先通过isa指针找到自己的class对象，如果没有找到对应的方法，则会通过superclass指针一层一层往上，最终找到基类的class对象依然找不到的话，会报常见的unrecognized selector sent to class错误，crash。
为什么基类的meta-class的superclass指向基类的class对象？这样不就造成 +(类方法)和 - (对象方法)方法混了吗？
答：①我们通过下面的转换C++后的代码可以看出，不管是instance对象还是class对象调用对应的方法，都是像自身发送消息，通过isa到对应的位置寻找方法(没有区分+ - )
②如果基类的class对象调用类方法，对应的meta-class对象没有对应的方法，则会通过superclass指针找到自身（class对象），调用自身的方法(instance方法)

从面向对象的角度来说，是不合理的，但是从本质上来说

  //[student personInstanceMethod];
  ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)student, sel_registerName("personInstanceMethod"));
  //[MJStudent personClassMethod];
  ((void (*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)objc_getClass("MJStudent"), sel_registerName("personClassMethod"));

①我们通过下面的代码可以证明，确实会这样：(将不同文件的代码放在一块)

//NSObject+Test.h
@interface NSObject (Test)

+(void)test;

@end

//NSObject+Test.m
@implementation NSObject (Test)

+(void)test{
    NSLog(@"NSObject + Test %p", self);
}

@end


@interface MJPerson : NSObject

+(void)test;

@end

@implementation MJPerson

+(void)test{
    NSLog(@"MJPerson + Test %p", self);
}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"MJPerson class %p",[MJPerson class]);
        NSLog(@"NSObject class %p",[MJPerson class]);

        [MJPerson test];
        [NSObject test];
    }
    return 0;
}

打印结果：

MJPerson class  0x1000024c0
NSObject class   0x7fff91c77140 
MJPerson + Test 0x1000024c0
NSObject + Test 0x7fff91c77140

这个结果应该没有什么疑问

②接下来我们将MJPerson的test方法去除，再看结果：

MJPerson class  0x100002480
NSObject class  0x7fff91c77140
NSObject + Test 0x100002480
NSObject + Test 0x7fff91c77140

即可证明，当自身的meta-class对象没有对应的方法，通过superclass指针寻找到NSObject的meta-class对象并调用

③我们继续将NSObject分类.m文件中的test方法注释掉，再看结果：

*** Terminating app due to uncaught exception 'NSInvalidArgumentException', reason: '+[MJPerson test]: unrecognized selector sent to class 0x100001440'

常见的报错提示，找不到对应的test方法

④我们继续将test方法改为实例方法，又会是什么结果呢？

MJPerson class  0x100002480
NSObject class  0x7fff91c77140
NSObject - Test 0x100002480
NSObject - Test 0x7fff91c77140

是不是很震惊！！结果就是class对象调用了实例方法，即可证明上面的结论

(2)其他疑问？

问：如果给NSObject的class对象发送test消息,可能实例方法与类方法有存在且同名，那会如何调用呢？
答：给NSObject的class对象发送一条test消息，首先通过isa找到meta-class对象，有则直接调用，此时类方法调用；如果找不到在通过superclass回到自身寻找是否有同名的实例方法，有则实例方法调用，没有则报错

（四）isa细节

我们上面已经知道instance对象通过isa可以找到class对象，class对象可以通过isa找到meta-class对象，那么isa存放的真的是对应的地址吗？
我们可以打印一下，发现isa并不是直接存放的对应的地址，那么isa又是存放的是什么呢？又是如何找到对应的对象呢？

打印结果

其实，在以前的系统中，isa确实存放的是地址值。但是，从64位之后，isa需要进行一个位运算，才能计算出真实地址

#######ISA_MASK
在runtime源码中有它的定义(其余不相关定义已省略)

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL

# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL

# else
#   error unknown architecture for packed isa
# endif

我们通过位运算后的值是否和我们所想的一样呢？

isa与ISA_MASK进行一个位运算即可得到对应的地址值

图解

（五）class和meta-class的结构

我们上面讲到class存放isa、superclass、其他成员变量，属性，对象方法等；meta-class存放isa、superclass、类方法等；class与meta-class的结构相同。但是一直没有去证实。下面我们通过窥探源码来证明。

源码查看底层内存结构

我们直接从头文件中找到对应的定义：

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

虽然我们看到确实好像是这样的，有isa、成员变量、属性、实例方法列表、协议等等。但是很遗憾这个在_OBJC2__时已经不可用了,我们无法通过一个过时的定义来证明，我们只能看runtime的源码来证明。
我们在objc-runtime-new.h文件中，找到下面的定义：
① objc_class结构

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_data_bits_t这个类型我们继续跟进

    class_rw_t *data() const {//这个方法很重要，我们进去继续查看
        return bits.data();
    }
    ...//还有其他我们前面已经看到过很熟悉的方法比如instanceSize等，不过并不在本次讨论点。略
}

我们发现，objc_class是一个结构体，继承自objc_object，还可以定义方法，这是C++的语法，不要惊讶😺

重要参数：

Class ISA 继承自objc_object
superclass
cache
bits class_data_bits_t类型
data方法返回 class_rw_t类型的结构体指针
②class_rw_t结构

struct class_rw_t {
    // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
    uint32_t flags;
    uint16_t version;
    uint16_t witness;

    const class_ro_t *ro;//这里我们再进去看

    method_array_t methods;//方法列表
    property_array_t properties;//属性列表
    protocol_array_t protocols;//协议列表

    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;

    char *demangledName;
    ...//省略
}

③class_ro_t结构

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;//对象占用的内存空间(实际占用，未对齐的)
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif

    const uint8_t * ivarLayout;
    
    const char * name;//类名
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;//成员变量列表

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;
    ...//省略
}

④class_data_bits_t结构：

struct class_data_bits_t {
    friend objc_class;

    // Values are the FAST_ flags above.
    uintptr_t bits;
private:
  ...

public:

    class_rw_t* data() const {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);//bits通过与FAST_DATA_MASK位运算后得到class_rw_t类型的结构体指针
    }
}

我们进行整理一下：

objc_class内存结构

代码证明底层内存结构

我们从内存结构可以侧面证实，我们现在通过代码证明(自己仿写底层结构进行强制类型转换)：

 //MJClassInfo.h文件
#ifndef MJClassInfo_h
#define MJClassInfo_h

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
# endif

#if __LP64__
typedef uint32_t mask_t;
#else
typedef uint16_t mask_t;
#endif
typedef uintptr_t cache_key_t;

struct bucket_t {
    cache_key_t _key;
    IMP _imp;
};

struct cache_t {
    bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;
};

struct entsize_list_tt {
    uint32_t entsizeAndFlags;
    uint32_t count;
};

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
};

struct method_list_t : entsize_list_tt {
    method_t first;
};

struct ivar_t {
    int32_t *offset;
    const char *name;
    const char *type;
    uint32_t alignment_raw;
    uint32_t size;
};

struct ivar_list_t : entsize_list_tt {
    ivar_t first;
};

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

struct property_list_t : entsize_list_tt {
    property_t first;
};

struct chained_property_list {
    chained_property_list *next;
    uint32_t count;
    property_t list[0];
};

typedef uintptr_t protocol_ref_t;
struct protocol_list_t {
    uintptr_t count;
    protocol_ref_t list[0];
};

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;  // instance对象占用的内存空间
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif
    const uint8_t * ivarLayout;
    const char * name;  // 类名
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;  // 成员变量列表
    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;
};

struct class_rw_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t version;
    const class_ro_t *ro;
    method_list_t * methods;    // 方法列表
    property_list_t *properties;    // 属性列表
    const protocol_list_t * protocols;  // 协议列表
    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;
    char *demangledName;
};

#define FAST_DATA_MASK          0x00007ffffffffff8UL
struct class_data_bits_t {
    uintptr_t bits;
public:
    class_rw_t* data() {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
};

/* OC对象 */
struct mj_objc_object {
    void *isa;
};

/* 类对象 */
struct mj_objc_class : mj_objc_object {
    Class superclass;
    cache_t cache;
    class_data_bits_t bits;
public:
    class_rw_t* data() {
        return bits.data();
    }
    
    mj_objc_class* metaClass() {
        return (mj_objc_class *)((long long)isa & ISA_MASK);
    }
};

#endif /* MJClassInfo_h */

main.mm的main函数中调用：

通过断点调试可以直接看到对应的成员变量、对象方法、类方法、属性、协议均可以在结构中可以找到。如下图：

image.png

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