OC底层原理十: 类的深入理解

OC底层原理 学习大纲

上一节我们分析了类的结构，成员变量、属性、实例方法和类方法的读取。

今天我深入拓展一下：

• 1. 怎么知道成员变量、属性存放位置的？
• 2. v24@0:8@16这种符号啥意思？（熟悉编码表）
• 3. 类的归属

1. 怎么知道成员变量、属性存放位置的？

当我们只知道objc_class结构的时候，无法确定某类属性或方法存放在哪里时：

• 可以给一个特殊的名称
• 通过clang将文件静态编译成cpp文件
• 搜索特殊名称。查看系统存放位置。

例如： 我们不知道成员变量存放在哪。

• 定义一个hobby成员变量

@interface HTPerson : NSObject {
   NSString * hobby;
}

• 在main.m中实例化HTPerson对象

• clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 编译成cpp静态文件。

• 打开main.cpp文件，搜索hobby
  

  image.png
  
  
  image.png
  
  
  image.png

• 因为是特殊名称(系统中基本不会出现的名称)，所以一下就可以搜索出来。

• 上面就是这个名称出现的所有位置。 我们对比objc_class的 data()数据格式来看：
  

  image.png

发现class_ro_t类型的只有ro()函数。

• 进入class_ro_t查看格式。
  
  image.png

顺利找到ivar_list_t。定位了成员变量位置。
实践过程可查看上一节

这里介绍的是通用定位方法。 不局限于成员变量

2. v24@0:8@16这种符号啥意思？

我们查看cpp文件时，发现函数都有v24@0:8@16这样的符号。

image.png

SEL 和 IMP

每个方法都有SEL和IMP。

• SEL： 方法编号
• IMP: 函数指针地址
• SEL和IMP： 组成键值对。

我们调用函数，是调用OC上层封装好的函数。 通过SEL方法编号 -> 找到对应的IMP指针地址 -> 返回指针指向的底层实现。

• 打开Xcode开发者文档
  
  开发者文档.png

搜索ivar_getTypeEncoding

image.png

点击进入官方文档，查看所有类型编码 👉 快捷通道

image.png

这些就是各类型简写。 以后看到这些就清晰明朗了。😃

v24@0:8@16 :
v: void ， @: 一个对象 ，:SEL 函数选择器

描述：定义一个返回值是void，总内存大小为24字节的函数，第一个入参是对象，从0字节开始，第二个入参SEL，从8字节开始，第三个入参是对象，从16字节开始

对比下面实际函数看就一目了然了：

• static void I_HTPerson_setName(HTPerson *self, SEL _cmd, NSString *name)
  第一个入参HTPerson实例对象， 第二个入参SEL方法编号, 第三个入参name字符串

类似属性值也可以参看相关文档了解
{"name","T@\"NSString\",&,N,V_name"
文档中搜索property_getAttributes， 找到👉 官方描述

3. 类的归属

上一节在结束时，我们验证了

• 对象的方法存在类中，类的方法存在元类中

面试题一: 类的归属

准备测试数据

@interface HTPerson : NSObject
- (void)sayHello;
+ (void)sayHappy;
@end

@implementation HTPerson

- (void)sayHello{
    NSLog(@"HTPerson say : Hello!!!");
}

+ (void)sayHappy{
    NSLog(@"HTPerson say : Happy!!!");
}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        HTPerson *person = [HTPerson alloc];
        Class pClass     = object_getClass(person);

        // 这里加测试函数
        // Objc_copyMethodList(pClass);                 // 问题1
        // InstanceMethod_classToMetaclass(pClass);     // 问题2
        // ClassMethod_classToMetaclass(pClass);        // 问题3
        // IMP_classToMetaclass(pClass);                // 问题4
    }
    return 0;
}

- 问题1：Objc_copyMethodList打印的函数有哪些？

void Objc_copyMethodList(Class pClass){
    unsigned int count = 0;
    Method *methods = class_copyMethodList(pClass, &count);
    for (unsigned int i=0; i < count; i++) {
        Method const method = methods[i];
        //获取方法名
        NSString *key = NSStringFromSelector(method_getName(method));
        
        NSLog(@"Method, name: %@", key);
    }
    free(methods);
}

• 这里需要弄清楚class_copyMethodList的原理。

从月月这位优秀童鞋那学来的学习方法，分享下：

• 不懂的先查官方文档，清楚功能。再去源码究其根源。

官方解释：
打开帮助文档：

官方文档

搜索 class_copyMethodList：

class_copyMethodList

大致意思是说:

• 如果这个类有实现了的实例函数，就返回一个包含所有实例函数的数组。最后你必须free释放这个数组。
• 如果当前类没有实例函数，或者当前类为空，返回Null.并且outCount为0

进入objc4源码中，进入class_copyMethodList方法。

image.png

我们可以看到完整的流程。 从HTPerson类中读取data()的methods()函数。并将其另辟空间result存储后，返回result。

• 这个result就是类的Methods函数数组。学完上一节我们知道，类的Methods中存储的是所有实例方法，类方法是存储在元类中的。

• 看完源码，你应该要知道代码最后为何要加上free了吧。 因为result是新开辟的空间，需要手动释放。

• HTPerson只有sayHello一个实例方法。所以class_copyMethodList打印的只有是sayHello。

• image.png

- 问题2：InstanceMethod_classToMetaclass中哪些函数不是0x0？

void InstanceMethod_classToMetaclass(Class pClass){
    
    const char *className = class_getName(pClass);
    Class metaClass = objc_getMetaClass(className);
    
    Method method1 = class_getInstanceMethod(pClass, @selector(sayHello));
    Method method2 = class_getInstanceMethod(metaClass, @selector(sayHello));

    Method method3 = class_getInstanceMethod(pClass, @selector(sayHappy));
    Method method4 = class_getInstanceMethod(metaClass, @selector(sayHappy));
    
    NSLog(@"%s:", __func__);
    NSLog(@"%p-%p-%p-%p",method1,method2,method3,method4);
    
}

• 这个需要弄清楚class_getInstanceMethod的原理

官方解释：

image.png

大致意思是说:

• 如果传入的类或它的父类不包含这个实例方法，就返回Null

源码分析：

image.png

进入lookUpImpOrForward。 寻找imp

image.png

• 进入_class_getMethod

_class_getMethod

• 进入getMethod_nolock

image.png

通过熟悉源码和文档，我们可以知道:

• lookUpImpOrForward，就是使用一切办法(本类、父类、消息转发等)将Imp找到。
• class_getInstanceMethod, 因为上面lookUpImpOrForward已经将imp找到了。所以class_getInstanceMethod就只需要走类继承(superclass)这条线来常规读取imp了。先在自己本类找，找不到再到superclass中寻找。如果运行到根类， 还找不到就条件终止(根类的父类为nil)，返回nil。

通过上一节学习，我们知道，实例方法存在类中，而类方法是存储在元类中的。

• 这里sayHello是实例方法，sayHappy是类方法。 所以打印结果中，第一个和第四个有值，第二个和第三个为空。

• image.png

- 问题3：ClassMethod_classToMetaclass中哪些函数不是0x0？

void ClassMethod_classToMetaclass(Class pClass){
    
    const char *className = class_getName(pClass);
    Class metaClass = objc_getMetaClass(className);
    
    Method method1 = class_getClassMethod(pClass, @selector(sayHello));
    Method method2 = class_getClassMethod(metaClass, @selector(sayHello));

    Method method3 = class_getClassMethod(pClass, @selector(sayHappy));
    Method method4 = class_getClassMethod(metaClass, @selector(sayHappy));
    
    NSLog(@"%s", __func__);
    NSLog(@"%p-%p-%p-%p",method1,method2,method3,method4);
}

• 这个需要弄清楚class_getClassMethod的原理

官方解释：

image.png

大致意思是说:

• 如果传入的类或它的父类不包含这个实例方法，就返回Null

源码分析：

image.png

发现这个函数跟问题2进入的一样，都是class_getInstanceMethod

• 不同的是这里入参是getMeta， 我们进入查看：

image.png

发现个有意思的事情。 我们传入cls

• 代码判断isMetaClass是否为元类，如果是元类就返回cls本类，如果不是， 我就返回本类的isa 。

用大白话解释：
兄弟，类方法都放在元类里。如果你给我的是元类，我可以直接操作。 如果不是元类，我就免费帮你转成元类(类的isa指向元类),再去操作。总之，我这只办理元类的业务。

• 在 C和C++的层面不存在类方法和对象方法,一切方法的处理，在它确定对象(类还是元类)之后，都交给class_getInstanceMethod来处理。 所以后续方法就跟问题2的处理一样了。

因为这题是获取类方法。 题中类方法只有sayHappy，所以第一个和第二个都是不存在。 类方法是存在元类中，所以第四个是存在的。

• 那第三个呢？ 第三个上面说了，class_getClassMethod只处理类方法，如果不是元类，就帮你转成元类。
• 所以第三个实际上是转成了元类,再调用了元类中储存的类方法。

所以打印结果如下:

image.png

- 问题4：IMP_classToMetaclass中哪些函数不是0x0？

void class_getMethodImplementation(Class pClass){
    
    const char *className = class_getName(pClass);
    Class metaClass = objc_getMetaClass(className);

    IMP imp1 = class_getMethodImplementation(pClass, @selector(sayHello));
    IMP imp2 = class_getMethodImplementation(metaClass, @selector(sayHello));

    IMP imp3 = class_getMethodImplementation(pClass, @selector(sayHappy));
    IMP imp4 = class_getMethodImplementation(metaClass, @selector(sayHappy));

    NSLog(@"%s:",__func__);
    NSLog(@"%p-%p-%p-%p",imp1,imp2,imp3,imp4);
}

• 这个需要弄清楚class_getMethodImplementation的原理

官方解释：

image.png

大致意思是说:

• 如果传入的类或它的父类都不包含这个实例方法，就使用运行时的消息转发机制。

源码分析：

image.png

我们发现，如果我们找不到方法对应的imp，就使用运行时的消息转发。让能处理这个消息的对象来接收处理。

我们知道:

• 第一个实例方法和第四个类方法，本身是可找到对应的imp的，所以是存在的。

• 第二个和第三个，我们会调用消息转发机制。

我们打印查看，最终都是存在的。

image.png

总结

• class_getInstanceMethod： 获取实例方法。
  自身类->父类->...->根类->nil这一条线，只要能找到对应实例方法，就返回方法imp；否则，返回null。

• class_getClassMethod： 获取类方法。
  如果传入的不是元类，就转成元类再调用class_getInstanceMethod方法。 总之，类方法只存在元类中。

• class_getMethodImplementation： 获取方法的实现。
  如果未找到，就进行消息转发。

面试题二：isKindOfClass 与 isMemberOfClass

打印小技巧：

#ifdef DEBUG
#define HTLog(format, ...) printf("%s\n", [[NSString stringWithFormat:format, ## >__VA_ARGS__] UTF8String]);
#else
#define HTLog(format, ...);
#endif

• 面试题:

@interface HTPerson : NSObject
@end

@implementation HTPerson
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        BOOL re1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];
        BOOL re2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];
        BOOL re3 = [(id)[HTPerson class] isKindOfClass:[HTPerson class]];
        BOOL re4 = [(id)[HTPerson class] isMemberOfClass:[HTPerson class]];
        HTLog(@" re1 :%hhd        re2 :%hhd        re3 :%hhd        re4 :%hhd",re1,re2,re3,re4);

        BOOL re5 = [(id)[NSObject alloc] isKindOfClass:[NSObject class]];
        BOOL re6 = [(id)[NSObject alloc] isMemberOfClass:[NSObject class]];
        BOOL re7 = [(id)[HTPerson alloc] isKindOfClass:[HTPerson class]];
        BOOL re8 = [(id)[HTPerson alloc] isMemberOfClass:[HTPerson class]];
        HTLog(@" re5 :%hhd        re6 :%hhd        re7 :%hhd        re8 :%hhd",re5,re6,re7,re8);
    }
    return 0;
}

官方文档

image.png

image.png

源码分析

image.png

isKindOfClass：

• 类方法： 类的Isa指向的是元类，沿着父类(superclass)这条线寻找，检查是否存在和入参cls相等的类。
• 实例方法： 对象的Isa指向的是本类，沿着父类(superclass)这条线寻找，检查是否存在和入参cls相等的类。

isMemberOfClass

• 类方法： 判断Isa指向的元类，是否与入参cls相等。
• 实例方法： 判断Isa指向的本类是否与入参cls相等。

💣 💥

当我们以为一切仅在掌控之中时，却发现isKindOfClass的类方法和实例方法压根没调用😭

加入断点

image.png

打开汇编模式

image.png

image.png

• 为什么要调用objc_opt_class呢？我们在objc源码层找不到调用依据，打开llvm搜索objc_opt_isKindOfClass。

image.png

我们看到了熟悉的objc_alloc。你是否记得NSObject的alloc方法也没走objc4源码的alloc类方法？ 而是llvm在编译层就将其处理好了。

• 在这个表中，objc_opt_isKindOfClass静静地跟着objc_alloc一起躺着，我们看注释，可以知道苹果官方设计的原因，因为这些函数极少被改变，所以为了加速性能，苹果在llvm编译层就已经将其优化处理。 比如isKindOfClass如果没有被外部重写，在被调用时都是直接消息转发执行objc_opt_isKindOfClass。

• objc4源码中查看objc_opt_isKindOfClass内部实现：

image.png

发现内部实现就跟isKindOfClass的方法一样。

特点：

1. 类方法的初始值是元类，实例方法的初始值是本类

2. objc_opt_isKindOfClass: 是底层实现，有遍历操作

• 类方法和实例方法在底层统称为方法。(入参是实例对象，初始值为本类； 入参是类，初始值是元类)

3. isMemberOfClass: 类方法和实例方法都无遍历操作，直接比较

在开始之前，我们请上经典isa指向和superclass继承图:

• isa指向和superclass继承

掌握秘诀，答题开始：

• re1:

BOOL re1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];

• isKindOfClass类方法，调用objc_opt_isKindOfClass，初始值为元类，拥有遍历操作

1. 获取[NSObject class]中isa指向的类： NSObject元类
2. 判断NSObject元类与NSObject类,不相等。
3. 继续寻找NSObject元类的superclass: NSObject类
4. 与[NSObject class]相等。 返回true

答案： True

• re2:

BOOL re2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];

• isMemberOfClass类方法，初始值为元类，无遍历操作，直接比较

1. 获取[NSObject class]中isa指向的类： NSObject元类
2. 判断NSObject元类与NSObject类,不相等。 返回false

答案： False

• re3:

BOOL re3 = [(id)[HTPerson class] isKindOfClass:[HTPerson class]];

-isKindOfClass类方法，调用objc_opt_isKindOfClass，初始值为元类，拥有遍历操作

1. 获取[HTPerson class]中isa指向的类： HTPerson元类
2. 判断HTPerson元类与HTPerson类,不相等。
3. 继续层层寻找HTPerson元类的superclass
4. 依次找到: NSObject元类、NSObject类、nil。都与HTPerson类不相等，返回false

答案： False

• re4:

BOOL re4 = [(id)[HTPerson class] isMemberOfClass:[HTPerson class]];

• isMemberOfClass类方法，初始值为元类，无遍历操作，直接比较

1. 获取[HTPerson class]中isa指向的类： HTPerson元类
2. 判断HTPerson元类与HTPerson类,不相等。返回false

答案： False

• re5:

BOOL re5 = [(id)[NSObject alloc] isKindOfClass:[NSObject class]];

• isKindOfClass对象方法，调用objc_opt_isKindOfClass，初始值为本类，拥有遍历操作

1. 获取[NSObject alloc]的本类： NSObject类
2. 判断NSObject类与[NSObject class]相等， 返回True

答案： True

• re6:

BOOL re6 = [(id)[NSObject alloc] isMemberOfClass:[NSObject class]];

• isMemberOfClass对象方法，初始值为本类，无遍历操作，直接比较

1. 获取[NSObject alloc]的本类： NSObject类
2. 判断NSObject类与[NSObject class]相等， 返回True

答案： True

• re7:

BOOL re7 = [(id)[HTPerson alloc] isKindOfClass:[HTPerson class]];

• isKindOfClass对象方法，调用objc_opt_isKindOfClass，初始值为本类，有遍历操作

1. 获取[HTPerson alloc]的本类： HTPerson类
2. 判断HTPerson类与[HTPerson class]相等， 返回True

答案： True

• re8:

BOOL re8 = [(id)[HTPerson alloc] isMemberOfClass:[HTPerson class]];

• isMemberOfClass对象方法，初始值为本类，无遍历操作，直接比较

1. 获取[HTPerson alloc]的本类： HTPerson类
2. 判断HTPerson类与[HTPerson class]相等， 返回True

答案： True

附上打印结果

答案

是不是掌握了诀窍之后，瞬间无对手了？

别飘？ 咱们加设一题

BOOL re9 = [(id)[HTPerson class] isKindOfClass:[NSObject class]];
BOOL re10 = [(id)[HTPerson alloc] isKindOfClass:[NSObject class]];
BOOL re11 = [(id)[HTPerson class] isMemberOfClass:[NSObject class]];
BOOL re12 = [(id)[HTPerson alloc] isMemberOfClass:[NSObject class]];
HTLog(@" re9 :%hhd        re10 :%hhd        re11 :%hhd        re12 :%hhd",re9,re10,re11,re12);

记住我每个答案上第一行解题思路。
是什么函数？ 对象方法还是类方法？ 初始值是元类还是本类？ 是遍历superclass还是直接比较？

开始答题：

• re9:

BOOL re9 = [(id)[HTPerson class] isKindOfClass:[NSObject class]];

• isKindOfClass类方法，调用objc_opt_isKindOfClass，初始值为元类，拥有遍历操作

1. 获取[HTPerson class]中isa指向的类： HTPerson元类
2. 判断HTPerson元类与NSObject类,不相等。
3. 继续层层寻找HTPerson元类的superclass
4. 依次找到: NSObject元类、NSObject类。
5. 到NSObject类时相等，返回True

答案： True

• re10:

BOOL re10 = [(id)[HTPerson alloc] isKindOfClass:[NSObject class]];

• isKindOfClass对象方法，调用objc_opt_isKindOfClass，初始值为本类，有遍历操作

1. 获取[HTPerson alloc]的本类： HTPerson类
2. 判断HTPerson类与[NSObject class]不相等。
3. 继续寻找HTPerson类的superclass： NSObject类
4. 此时NSObject类与[NSObject class]``相等，返回True

答案： True

• re11:

BOOL re11 = [(id)[HTPerson class] isMemberOfClass:[NSObject class]];

• isMemberOfClass类方法，初始值为元类，无遍历操作，直接比较

1. 获取[HTPerson class]中isa指向的类： HTPerson元类
2. 判断HTPerson元类与NSObject类,不相等。返回False

答案： False

• re12:

BOOL re12 = [(id)[HTPerson alloc] isMemberOfClass:[NSObject class]];

• isMemberOfClass实例方法，初始值为本类，无遍历操作，直接比较

1. 获取[HTPerson alloc]的本类： HTPerson类
2. 判断HTPerson类与NSObject类,不相等。返回False

答案： False

附上打印结果

答案

恭喜你，挑战成功！

别吐槽，面试怎么虐得爽就怎么来 😂

我自己写的时候也很凌乱，直到整理出的解题思路，才打通任督二脉：

是什么函数？ 对象方法还是类方法？ 初始值是元类还是本类？ 是遍历superclass还是直接比较？