上一篇iOS中的Runtime详解1(附面试题) - 底层原理总结，主要介绍了isa。这一章我们深入认识一下Class的内部结构。

一、Class的结构

Class的内部结构

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_rw_t *data() { 
        return bits.data();
    }
    void setData(class_rw_t *newData) {
        bits.setData(newData);
    }
}

class_rw_t* data() {
    return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}

class_rw_t

上述源码中bits & FAST_DATA_MASK之后，可以得到class_rw_t(在这里r就是read，w就是write，t就是table，也就是说这是一个可读可写的表结构)。class_rw_t中存储着方法列表、属性列表以及协议列表，我们来看一下class_rw_t部分代码

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;

    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;
};

上述源码中，method_array_t、property_array_t、protocol_array_t其实都是二维数组。以method_array_t为例，method_array_t本身就是一个数组，数组里面存放的是数组method_list_t，method_list_t里面最终存放的是method_t

class method_array_t : 
    public list_array_tt<method_t, method_list_t> 
{
    typedef list_array_tt<method_t, method_list_t> Super;

 public:
    method_list_t **beginCategoryMethodLists() {
        return beginLists();
    }
    
    method_list_t **endCategoryMethodLists(Class cls);

    method_array_t duplicate() {
        return Super::duplicate<method_array_t>();
    }
};


class property_array_t : 
    public list_array_tt<property_t, property_list_t> 
{
    typedef list_array_tt<property_t, property_list_t> Super;

 public:
    property_array_t duplicate() {
        return Super::duplicate<property_array_t>();
    }
};


class protocol_array_t : 
    public list_array_tt<protocol_ref_t, protocol_list_t> 
{
    typedef list_array_tt<protocol_ref_t, protocol_list_t> Super;

 public:
    protocol_array_t duplicate() {
        return Super::duplicate<protocol_array_t>();
    }
};

class_rw_t里面的method、properties、protocols是二维数组，是可读可写的，其中包含了类的初始内容以及分类的内容。

这里以method_array_t为例，图示其中的结构。

methods、properties、protocols内结构

class_ro_t

class_ro_t中也有存储方法、属性、协议列表，另外还有成员变量列表。

class_ro_t部分代码

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif

    const uint8_t * ivarLayout;
    
    const char * name;
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;

    method_list_t *baseMethods() const {
        return baseMethodList;
    }
};

可以看到class_ro_t *ro是只读的，内部直接存储的就是method_list_t、protocol_list_t、property_list_t类型的一堆数组，数组里面分别存放的是类的初始化信息，以method_list_t为例，method_list_t中直接存放的就是method_t，但是是只读的，不允许增删改。

总结

以方法列表为例，class_rw_t中的methods是二维数组的结构，并且可读可写，因此可以动态的添加方法，并且更加便于分类方法的添加。attachList函数内通过memmove 和 memcpy两个操作将分类的方法列表合并在本类的方法列表中。那么此时就将分类的方法和本类的方法统一整合到一起了。

其中一开始类的方法、属性、成员变量、属性协议等等都是存放在class_ro_t中的，当程序运行的时候，需要将分类中的列表跟类初始的列表合并在一起时，就会将class_ro_t中的列表和分类中的列表合并起来存放在class_rw_t中，也就是说class_rw_t中有部分列表是从class_ro_t里面拿出来的。并且最终和分类的方法合并。可以通过源码体现这一点。

realizeClass部分源码

static Class realizeClass(Class cls)
{
    runtimeLock.assertWriting();

    const class_ro_t *ro;
    class_rw_t *rw;
    Class supercls;
    Class metacls;
    bool isMeta;

    if (!cls) return nil;
    if (cls->isRealized()) return cls;
    assert(cls == remapClass(cls));

    // 最开始cls->data是指向ro的
    ro = (const class_ro_t *)cls->data();

    if (ro->flags & RO_FUTURE) { 
        // rw已经初始化并且分配内存空间
        rw = cls->data();  // cls->data指向rw
        ro = cls->data()->ro;  // cls->data()->ro指向ro
        cls->changeInfo(RW_REALIZED|RW_REALIZING, RW_FUTURE);
    } else { 
        // 如果rw并不存在，则为rw分配空间
        rw = (class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1); // 分配空间
        rw->ro = ro;  // rw->ro重新指向ro
        rw->flags = RW_REALIZED|RW_REALIZING;
        // 将rw传入setData函数，等于cls->data()重新指向rw
        cls->setData(rw); 
    }
}

可以发现，类的初始信息本来是存储在class_ro_t中的，并且ro本来是指向cls->data()的，也就是bit.data()得到的是ro，但是在运行过程中创建了class_rw_t，并将cls->data指向rw，同时将初始信息ro赋值给rw中的ro。最后再通过setData(rw)设置data。那么此时bits.data()得到的就是rw，之后再去检查是否有分类，同时将分类的方法、属性、协议列表整合存储在class_rw_t的方法、属性、协议列表中。

class_rw_t中是如何存储方法的

method_t

以method_array_t、property_array_t、protocol_array_t中的method_array_t为例，method_array_t中最终存储的是method_t，method_t是对方法、函数的封装，每一个方法对象就是一个method_t。method_t结构体中有3个成员变量，源码中的method_t如下

struct method_t {
    SEL name;  // 函数名
    const char *types;  // 编码（返回值类型，参数类型）
    IMP imp; // 指向函数的指针（函数地址）
};

SEL

SEL代表方法\函数名，一般叫做选择器，底层结构跟char *类似，是typedef struct objc_selector *SEL;，可以把SEL看做是方法名字符串。

SEL可以通过@selector()和sel_registerName()获得

SEL sel1 = @selector(test);
SEL sel2 = sel_registerName("test");

也可以通过sel_getName()和NSStringFromSelector()将SEL转成字符串。

char *string = sel_getName(sel1);
NSString *string2 = NSStringFromSelector(sel2);

不同类中相同名字的方法，所对应的方法选择器是相同的。

NSLog(@"%p,%p", sel1,sel2);
test[23738:8888825] 0x1017718a3,0x1017718a3

SEL仅仅代表方法的名字，并且不同类中相同的方法名的SEL是全局唯一的。

types

types包含了函数返回值、参数编码的字符串。通过字符串拼接的方式将返回值和参数拼接成一个字符串，来代表函数返回值和参数。

我们可以自己写一个类来模拟Class的内部实现，通过强制转化来探索Class的内部数据。

Person *person = [[Person alloc] init];
ql_objc_class *cls = (__bridge xx_objc_class *)[Person class];
class_rw_t *data = cls->data();

通过断点可以在data中找到types的值

data中types的值

上图中可以看出types的值为v16@0:8，苹果为了能够清晰的使用字符串表示方法及其返回值，制定了一系列对应规则，通过下表可以看到一一对应关系

Objective-C type encodings

将types的值同表中的一一对照查看types的值v16@0:8代表什么

- (void)test;

 v    16      @     0     :     8
void         id          SEL
// 16表示参数的占用空间大小，id后面跟的0表示从0位开始存储，id占8位空间。
// SEL后面的8表示从第8位开始存储，SEL同样占8位空间

任何方法都有默认的两个参数，分别是id类型的self，和SEL类型的_cmd，而上述通过对types的分析也验证了这个说法。

为了能够看得更加清晰，我们为test添加返回值和参数之后查看types的值。

types的值

同样的通过上表找出一一对应的值，查看types的值代表的方法

- (int)testWithAge:(int)age Height:(float)height
{
    return 0;
}
  i    24    @    0    :    8    i    16    f    20
int         id        SEL       int        float
// 参数的总占用空间为 8 + 8 + 4 + 4 = 24
// id 从第0位开始占据8位空间
// SEL 从第8位开始占据8位空间
// int 从第16位开始占据4位空间
// float 从第20位开始占据4位空间

苹果提供了@encode指令，可以将具体的类型转化为字符串编码。

NSLog(@"%s",@encode(int));
NSLog(@"%s",@encode(float));
NSLog(@"%s",@encode(id));
NSLog(@"%s",@encode(SEL));

// 打印内容
Runtime[25275:9144176] i
Runtime[25275:9144176] f
Runtime[25275:9144176] @
Runtime[25275:9144176] :

IMP

IMP代表函数的具体实现，存储的内容是函数地址。也就是说当找到imp的时候就可以找到函数实现，进而对函数进行调用。

我们现在知道了方法列表是如何存储在Class类对象中的，但是当多次继承的子类想要调用基类方法时，就需要通过superclass指针一层一层找到基类，再从基类方法列表中找到对应的方法进行调用。如果多次调用基类方法，那么就需要多次遍历每一层父类的方法列表，这就很浪费性能。

苹果通过方法缓存的形式解决了这一问题。

方法缓存cache_t

回到类对象结构体，成员变量cache就是用来对方法进行缓存的。

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);
    }
}

方法调用的过程：调用方法的时候，需要去方法列表里面进行遍历查找。如果方法不再列表里面，就会通过superclass找到父类的类对象，再去父类类对象方法列表里面遍历查找。

如果方法需要调用很多次的话，那就相当于每次调用都需要去遍历多个方法列表，为了能够快速查找方法，苹果设计了chche_t来进行方法缓存。

每当调用方法的时候，会先去chche_t中查找是否有缓存的方法，如果没有缓存，再去类对象方法列表中查找，以此类推，直到找到方法，就会将方法直接存储在chche中，下一次再调用这个方法的时候，就会在类对象的chche中找到这个方法，并直接调用。

cache_t如何进行缓存

cache_t是如何对方法进行缓存的呢？首先来看一下cache_t的内部结构

struct cache_t {
    struct bucket_t *_buckets; // 散列表 数组
    mask_t _mask; // 散列表的长度 -1
    mask_t _occupied; // 已经缓存的方法数量
};

bucket_t是以数组的方式存储方法列表的，看一下bucket_t内部结构

struct bucket_t {
private:
    cache_key_t _key; // SEL作为Key
    IMP _imp; // 函数的内存地址
};

从源码中可以看出bucket_t中存储着SEL和IMP，通过key->value的形式，以SEL为key，函数实现的内存地址 _imp为value来存储方法。

通过一张图来展示一下cache_t的结构。

cache_t的结构

上述bucket_t列表我们称之为散列表(哈希表)

散列表（Hash table，也叫哈希表），是根据关键码值（Key value）而直接进行访问的数据结构。也就是说，它通过把关键码值映射到表中一个位置来访问记录，以加快查找的速度。这个映射函数叫做散列函数，存放记录的数组叫做散列表。

那么苹果如何在散列表中快速并且准确的找到对应的key以及函数实现呢？这就需要我们通过源码来看一下苹果的散列表函数是如何设计的。

散列函数及散列表原理

首先来看一下存储的源码，主要查看几个函数。

cache_fill 及 cache_fill_nolock 函数

void cache_fill(Class cls, SEL sel, IMP imp, id receiver)
{
#if !DEBUG_TASK_THREADS
    mutex_locker_t lock(cacheUpdateLock);
    cache_fill_nolock(cls, sel, imp, receiver);
#else
    _collecting_in_critical();
    return;
#endif
}

static void cache_fill_nolock(Class cls, SEL sel, IMP imp, id receiver)
{
    cacheUpdateLock.assertLocked();
    // 如果没有initialize直接return
    if (!cls->isInitialized()) return;
    // 确保线程安全，没有其他线程添加缓存
    if (cache_getImp(cls, sel)) return;
    // 通过类对象获取到cache 
    cache_t *cache = getCache(cls);
    // 将SEL包装成Key
    cache_key_t key = getKey(sel);
   // 占用空间+1
    mask_t newOccupied = cache->occupied() + 1;
   // 获取缓存列表的缓存能力，能存储多少个键值对
    mask_t capacity = cache->capacity();
    if (cache->isConstantEmptyCache()) {
        // 如果为空的，则创建空间，这里创建的空间为4个。
        cache->reallocate(capacity, capacity ?: INIT_CACHE_SIZE);
    }
    else if (newOccupied <= capacity / 4 * 3) {
        // 如果所占用的空间占总数的3/4一下，则继续使用现在的空间
    }
    else {
       // 如果占用空间超过3/4则扩展空间
        cache->expand();
    }
    // 通过key查找合适的存储空间。
    bucket_t *bucket = cache->find(key, receiver);
    // 如果key==0则说明之前未存储过这个key，占用空间+1
    if (bucket->key() == 0) cache->incrementOccupied();
    // 存储key，imp 
    bucket->set(key, imp);
}

reallocate函数

通过上述源码可以看到reallocate函数负责分配散列表空间，来到reallocate函数内部。

void cache_t::reallocate(mask_t oldCapacity, mask_t newCapacity)
{
    // 旧的散列表能否被释放
    bool freeOld = canBeFreed();
    // 获取旧的散列表
    bucket_t *oldBuckets = buckets();
    // 通过新的空间需求量创建新的散列表
    bucket_t *newBuckets = allocateBuckets(newCapacity);

    assert(newCapacity > 0);
    assert((uintptr_t)(mask_t)(newCapacity-1) == newCapacity-1);
    // 设置Buckets和Mash，Mask的值为散列表长度-1
    setBucketsAndMask(newBuckets, newCapacity - 1);
    // 释放旧的散列表
    if (freeOld) {
        cache_collect_free(oldBuckets, oldCapacity);
        cache_collect(false);
    }
}

上述源码中首次传入reallocate函数的newCapacity为INIT_CACHE_SIZE，INIT_CACHE_SIZE是个枚举值，也就是4。因此散列表最初创建的空间就是4个。

enum {
    INIT_CACHE_SIZE_LOG2 = 2,
    INIT_CACHE_SIZE      = (1 << INIT_CACHE_SIZE_LOG2)
};

expand()函数

当散列表的空间被占用超过3/4的时候，散列表会调用expand()函数进行扩展，我们来看一下expand()函数内散列表如何进行扩展的。

void cache_t::expand()
{
    cacheUpdateLock.assertLocked();
    // 获取旧的散列表的存储空间
    uint32_t oldCapacity = capacity();
    // 将旧的散列表存储空间扩容至两倍
    uint32_t newCapacity = oldCapacity ? oldCapacity*2 : INIT_CACHE_SIZE;
    // 为新的存储空间赋值
    if ((uint32_t)(mask_t)newCapacity != newCapacity) {
        newCapacity = oldCapacity;
    }
    // 调用reallocate函数，重新创建存储空间
    reallocate(oldCapacity, newCapacity);
}

上述源码中可以看到散列表进行扩容时会将容量增至之前的2倍。

find函数

最后来看一下散列表中如何快速的通过key找到相应的bucket呢？我们来到find函数内部

bucket_t * cache_t::find(cache_key_t k, id receiver)
{
    assert(k != 0);
    // 获取散列表
    bucket_t *b = buckets();
    // 获取mask
    mask_t m = mask();
    // 通过key找到key在散列表中存储的下标
    mask_t begin = cache_hash(k, m);
    // 将下标赋值给i
    mask_t i = begin;
    // 如果下标i中存储的bucket的key==0说明当前没有存储相应的key，将b[i]返回出去进行存储
    // 如果下标i中存储的bucket的key==k，说明当前空间内已经存储了相应key，将b[i]返回出去进行存储
    do {
        if (b[i].key() == 0  ||  b[i].key() == k) {
            // 如果满足条件则直接reutrn出去
            return &b[i];
        }
    // 如果走到这里说明上面不满足，那么会往前移动一个空间重新进行判定，知道可以成功return为止
    } while ((i = cache_next(i, m)) != begin);

    // hack
    Class cls = (Class)((uintptr_t)this - offsetof(objc_class, cache));
    cache_t::bad_cache(receiver, (SEL)k, cls);
}

函数cache_hash (k, m)用来通过key找到方法在散列表中存储的下标，来到cache_hash (k, m)函数内部

static inline mask_t cache_hash(cache_key_t key, mask_t mask) 
{
    return (mask_t)(key & mask);
}

可以发现cache_hash (k, m)函数内部仅仅是进行了key & mask的按位与运算，得到下标即存储在相应的位置上。

_mask

通过上面的分析我们知道_mask的值是散列表的长度-1，那么任何数通过与_mask进行按位与运算之后获得的值都会小于等于_mask，因此不会出现数组溢出的情况。

举个例子，假设散列表的长度为8，那么mask的值为7

  0101 1011  // 任意值
& 0000 0111  // mask = 7
------------
  0000 0011 //获取的值始终等于或小于mask的值

总结

当第一次使用方法时，消息机制通过isa找到方法之后，会对方法以SEL为key IMP为value的方式缓存在cache的_buckets中，当第一次存储的时候，会创建具有4个空间的散列表，并将_mask的值置为散列表的长度-1，之后通过SEL & mask计算出方法存储的下标值，并将方法存储在散列表中。举个例子，如果计算出下标值为3，那么就将方法直接存储在下标为3的空间中，前面的空间会留空。

当散列表中存储的方法占据散列表长度超过3/4的时候，散列表会进行扩容操作，将创建一个新的散列表并且空间扩容至原来空间的两倍，并重置_mask的值，最后释放旧的散列表，此时再有方法要进行缓存的话，就需要重新通过SEL & mask计算出下标值之后再按照下标进行存储了。

如果一个类中方法很多，其中很可能会出现多个方法的SEL & mask得到的值为同一个下标值，那么会调用cache_next函数往下标值-1位去进行存储，如果下标值-1位空间中有存储方法，并且key不与要存储的key相同，那么再到前面一位进行比较，直到找到一位空间没有存储方法key与要存储的key相同为止，如果到下标0的话就会到下标为_mask的空间也就是最大空间处进行比较。

当要查找方法时，并不需要遍历散列表，同样通过SEL & mask计算出下标值，直接去下标值1的空间取值即可，同上，如果下标值中存储的key与要查找的key不相同，就去前面一位查找。这样虽然占用了少量空间，但是大大节省了时间，即用空间换时间。