开胃面试题
1.了解过OC中类的结构吗？
2.OC中的类信息放在哪里？
看这篇文章之前可以先回答一下这几个面试题，然后带着问题耐心看完这篇文章，再来回答一下看看
这篇文章跟另一篇文章iOS中OC对象的本质 - 底层原理总结是相辅相成的，它们也是掌握Runtime的重要基础。
一、在源码中探索Class的底层实现
不管是类对象还是元类对象，类型都是Class。class和meta-class的底层都是objc_class结构体的指针，在内存中就是结构体。
Class objectClass = [NSObject class];
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
点击进入Class内部，可以看到
typedef struct objc_class *Class;
Class对象其实是一个指向objc_class结构体的指针，因此我们可以说类对象、元类对象在内存中其实就是objc_class结构体。点击进入objc_class内部，可以看到
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 *` */
这是以前的代码，并不是最新的，在一些写的比较早的文章中还能看到。旁边的OBJC2_UNAVAILABLE，说明这些代码已经不再使用了。我们看下面最新的源码。
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_rw_t *data() {
return bits.data();
}
void setData(class_rw_t *newData) {
bits.setData(newData);
}
};
在C++中，结构体是可以继承的，并且可以包含函数，所以我们可以看到这个结构体继承自objc_object，并且结构体内有一些函数。点击进去objc_object内部，可以看到如下代码(部分重要代码)
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
public:
// ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
Class ISA();
// getIsa() allows this to be a tagged pointer object
Class getIsa();
};
可以看到objc_object中有一个isa指针，objc_class是继承自objc_object的，所以也就同样拥有一个isa指针。我们来看objc_class中的成员class_rw_t，rw指的是read和write，t指的是table。进入class_rw_t，可以看到里面存储着方法列表，属性列表，协议列表等内容。(为了方便查看，选取重要源码如下)
struct class_rw_t {
// Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
uint32_t flags;
uint32_t version;
const class_ro_t *ro; // 成员变量信息
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;
};
class_rw_t是通过bits调用data方法得来的，我们点击进入data方法内部，可以看到，data函数内部只是对bits进行&FAST_DATA_MASK操作。
class_rw_t* data() {
return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}
class_rw_t的成员class_ro_t是用来存储成员变量的信息的，我们点击进入class_ro_t内部
struct class_ro_t {
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize; // 实例对象大小
#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
const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
method_list_t *baseMethods() const {
return baseMethodList;
}
};
我们可以通过一张图进行总结
二、在代码中验证Class的底层实现
从上面的查看源码的过程中，我们知道了Class的底层结构，下面我们通过代码来验证一下。想要直接验证Class的底层结构是比较难的，好在我们可以根据源码中的结构体，自定义一个结构体来验证。当我们自定义的结构体和Class真实的结构体一样时，我们就可以对它强制转换，一一对应的赋值，这样我们就可以拿到结构体的内部信息。我们自定义一个下面的结构体。
#import <Foundation/Foundation.h>
#ifndef XXClassInfo_h
#define XXClassInfo_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() { // 提供data()方法进行 & FAST_DATA_MASK 操作
return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}
};
/* OC对象 */
struct xx_objc_object {
void *isa;
};
/* 类对象 */
struct xx_objc_class : xx_objc_object {
Class superclass;
cache_t cache;
class_data_bits_t bits;
public:
class_rw_t* data() {
return bits.data();
}
xx_objc_class* metaClass() { // 提供metaClass函数，获取元类对象
// isa指针需要经过一次&ISA_MASK操作之后才得到真正的地址
return (xx_objc_class *)((long long)isa & ISA_MASK);
}
};
#endif /* XXClassInfo_h */
然后强制转换一下
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
#import "XXClassInfo.h"
/* Person */
@interface Person : NSObject <NSCopying>
{
@public
int _age;
}
@property (nonatomic, assign) int height;
- (void)personMethod;
+ (void)personClassMethod;
@end
@implementation Person
- (void)personMethod {}
+ (void)personClassMethod {}
@end
/* Student */
@interface Student : Person <NSCoding>
{
@public
int _no;
}
@property (nonatomic, assign) int score;
- (void)studentMethod;
+ (void)studentClassMethod;
@end
@implementation Student
- (void)studentMethod {}
+ (void)studentClassMethod {}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
Person *person = [[Person alloc] init];
Student *student = [[Student alloc] init];
xx_objc_class *objectClass = (__bridge xx_objc_class *)[object class];
xx_objc_class *personClass = (__bridge xx_objc_class *)[person class];
xx_objc_class *studentClass = (__bridge xx_objc_class *)[student class];
xx_objc_class *objectMetaClass = objectClass->metaClass();
xx_objc_class *personMetaClass = personClass->metaClass();
xx_objc_class *studentMetaClass = studentClass->metaClass();
class_rw_t *objectClassData = objectClass->data();
class_rw_t *personClassData = personClass->data();
class_rw_t *studentClassData = studentClass->data();
class_rw_t *objectMetaClassData = objectMetaClass->data();
class_rw_t *personMetaClassData = personMetaClass->data();
class_rw_t *studentMetaClassData = studentMetaClass->data();
// 0x00007ffffffffff8
NSLog(@"%p %p %p %p %p %p", objectClassData, personClassData, studentClassData,
objectMetaClassData, personMetaClassData, studentMetaClassData);
return 0;
}
通过打断点，使用lldb指令输出信息，我们可以看到Class的内部信息，然后结合isa、superclass指针图，进行对照分析。
instance对象(实例对象)
实例对象中存储着isa指针这个成员变量和其他成员变量，实例对象的isa指向它的类对象。我们通过LLDB指令，分析一下上面创建的object、person、student三个实例对象与对应的类对象objectClass、personClass、studentClass，如下图
可以看到，实例对象中确实存储了isa指针和其成员变量，将实例对象的isa指针经过&运算后的地址是它类对象的地址。
class对象(类对象)
class对象中存储了isa指针、superclass指针，类的成员变量信息，类的属性信息，对象方法信息，协议信息。通过上面的源码分析，我们知道这些信息存储在类对象的class_rw_t中，下面我们查看一下
我们通过模拟对person类对象调用.data函数，即对bits进行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)运算，并转化为class_rw_t。即上图中的personClassData。我们发现成员变量、对象方法、属性等信息只显示first第一个，如果想要拿到更多的就需要通过代码将指针后移获取。而上图中的instanceSize = 16也同person对象中isa指针8个字节+_age4个字节+_height4个字节相对应起来。这里不在展开对objectClassData及studentClassData进行分析，基本内容痛personClassData相同。
再来看下类对象中isa指针和superclass指针
meta-class对象(元类对象)
元类对象中存储着isa指针、superclass指针，以及类的类方法信息。元类对象与类对象，具有相同的结构，只不过存储的信息不同，并且元类对象的isa指针指向基类(NSObject)的元类对象，基类的元类对象的isa指针指向自己。元类对象的superclass指针指向它父类的元类对象，基类的元类对象的superclass指针指向其类对象。
与类对象相似，通过模拟对person元类对象调用.data函数，即对bits进行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)运算，并转化为class_rw_t。
可以看到它的结构砼personClassData相同，并且成员变量及属性列表等信息为空，而methods中存储着类方法personClassMethod。我们再验证一下isa和superclass指针
可以看到元类对象的isa指向基类的元类对象，基类的isa指向自己。
可以看到元类对象的superclass指向父类的元类对象，基类的元类对象的superclass指向基类的类对象。
