iOS中OC类的本质详解(附面试题) - 底层原理总结

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


struct objc_class的结构

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。


isa、superclass指针

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

打印地址分析

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

personClassData

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

类对象的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。

personMetaClassData

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

meta-class的isa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。

meta-class的superclass指针

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。

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