通过OC运行时解析对象、类、元类之间的关系

运行时是OC底层的一套C语言的API，编译器最终都会将OC代码转化为运行时代码，通过终端命令编译.m 文件：clang -rewrite-objc xxx.m可以看到编译后的xxx.cpp（C++文件）。

在OC中类本身被称为类对象，简称类。而类对象的实例被称为实例对象，简称对象。
注意：类对象和类的对象是两个东西。

OC中NSObject的定义

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}

...

大家都很熟悉NSObject。它遵守了<NSObject>协议，定义了一些属性和方法外，还有一个Class类型的isa指针。
除了Class外，还有一些id、SEL、Method、IMP等见不到底层结构的类型。但是在运行时中可以找到OC与C之间的桥梁。

typedef struct objc_object *id;

typedef struct objc_class *Class;

typedef struct objc_selector *SEL;

typedef struct objc_method *Method;

#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...); 
#endif

运行时中对象的定义

在#include <objc/objc.h>中，对象的定义为：

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

结构体类型的对象中只有一个Class类型的isa指针。可见与OC中NSObject的定义十分类似。而Class定义为objc_class类型的结构体指针:

//一个代表OC类的不透明类型
typedef struct objc_class *Class;

相当于给指向类objc_class的指针起了个别名为Class。那objc_class又是什么呢？

运行时中类的定义

在#import <objc/runtime.h>中类的定义为objc_class类型的结构体:

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 *` */

在该结构体中又有一个Class类型的指针。

所以对象的isa指针指向类对象。类对象中Class类型的isa指针指向了和类本身一样类型的类对象。即指向了元类。而元类中的isa指针指向根元类，而根元类中的isa指针指向他自己。

关系图

在类中除了有isa指针之外，还有

  • Class _Nullable super_class //指向父类的指针。
  • const char * _Nonnull name //类名
  • long version //版本
  • long info //信息
  • long instance_size //对象在内存中的大小
  • struct objc_ivar_list * _Nullable ivars //类中成员变量列表
  • struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists //类中方法列表
  • struct objc_cache * _Nonnull cache //缓存
  • struct objc_protocol_list * _Nullable protocols //类所遵循的协议列表

运行时中方法的定义

//定义了objc_method类型的结构体指针Method
typedef struct objc_method *Method;

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nullable method_types                            OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP _Nonnull method_imp                                  OBJC2_UNAVAILABLE;
}

可见Method由方法名、方法类型、方法实现这三个部分组成。
而只要知道了方法的名称，和方法所属的类就可以获得该方法的指针。
方法的类型编码规则可参考官方文档
通过以下方法分别获取实例方法和类方法。

Method class_getInstanceMethod(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull name);

Method class_getClassMethod(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull name);

如何获取类对象

在OC中不支持直接获取isa指针。

获取isa指针

实际上有三种方法可以获取：

//1.OC方法
Class a = [self class];

//2. object_getClass(id _Nullable obj, Class _Nonnull cls)
//传入实例对象
Class b = object_getClass(self);

//3.objc_getClass(const char * _Nonnull name)
//将OC字符串转为C字符串
const char *name = [[[self class] description] UTF8String];
id c = objc_getClass(name);

NSLog(@"类对象地址：%p  %p  %p",a,b,c);

这三种方法得到的是相同的类对象。

如何获取元类对象

//1.object_setClass(id _Nullable obj, Class _Nonnull cls)
Person *p = [[Person alloc] init];
Class a = object_getClass([p class]);

//2.object_setClass(id _Nullable obj, Class _Nonnull cls)
Class b = object_getClass([Person class]); 

//3.objc_getMetaClass(const char * _Nonnull name)
Class c = objc_getMetaClass("Person");

NSLog(@"元类对象地址：%p  %p %p",a,b,c);

方法一和方法二实际上是同一种方式。

object_getClass和objc_getClass有什么区别

- (void)demo1
{
    id currentClass = self;
    const char *a = object_getClassName(currentClass);
    for (int i = 1; i < 7; i++) {
        NSLog(@"Following the isa pointer %d times gives 1 %p---%s", i, currentClass,a);
        currentClass = object_getClass(currentClass);
        a = object_getClassName(currentClass);
    }
}

- (void)demo2
{
    id currentClass = [[Person alloc] init];
    const char *a = object_getClassName(currentClass);
    for (int i = 1; i < 7; i++) {
        NSLog(@"Following the isa pointer %d times gives 2 %p---%s", i, currentClass,a);
        currentClass = object_getClass(currentClass);
        a = object_getClassName(currentClass);
    }
}

- (void)demo3
{
    Class currentClass = [self class];
    const char *a = object_getClassName(currentClass);
    for (int i = 1; i < 5; i++) {
        NSLog(@"Following the isa pointer %d times gives 3 %p---%s", i, currentClass,a);
        currentClass = objc_getClass([NSStringFromClass(currentClass) UTF8String]);
        a = object_getClassName(currentClass);
    }
}

Following the isa pointer 1 times gives 1 0x7fcf61e07060---ViewController
Following the isa pointer 2 times gives 1 0x10a0be1f0---ViewController
Following the isa pointer 3 times gives 1 0x10a0be218---NSObject
Following the isa pointer 4 times gives 1 0x10b068e58---NSObject
Following the isa pointer 5 times gives 1 0x10b068e58---NSObject
Following the isa pointer 6 times gives 1 0x10b068e58---NSObject

Following the isa pointer 1 times gives 2 0x60000020dff0---Person
Following the isa pointer 2 times gives 2 0x10a0be268---Person
Following the isa pointer 3 times gives 2 0x10a0be240---NSObject
Following the isa pointer 4 times gives 2 0x10b068e58---NSObject
Following the isa pointer 5 times gives 2 0x10b068e58---NSObject
Following the isa pointer 6 times gives 2 0x10b068e58---NSObject

Following the isa pointer 1 times gives 3 0x10a0be1f0---ViewController
Following the isa pointer 2 times gives 3 0x10a0be1f0---ViewController
Following the isa pointer 3 times gives 3 0x10a0be1f0---ViewController
Following the isa pointer 4 times gives 3 0x10a0be1f0---ViewController

对比一下不难发现：

在demo1中传入self对象，
第一次打印了实例对象0x7fcf61e07060，
第二次打印了类对象0x10a0be1f0，
第三次打印了元类对象0x10a0be218,
第四次及以后打印了根元类对象0x10b068e58，因为根元类的isa指针指向它自己。

在demo2中同理，可见第四次及以后打印的根元类对象和demo1中的地址一样，由此可证所有的对象指向同一个根元类对象。

在demo3中，四次打印的都是0x10a0be1f0,和demo1中的类对象地址相同。

得出以下结论：

  • object_getClass返回的是传入对象的isa指针所指向的类。
  • objc_getClass只能返回类对象。
  • objc_getMetaClass只能返回元类对象。

再奉上源码,与我们推测的是一样的。

/***********************************************************************
* object_getClass.
* Locking: None. If you add locking, tell gdb (rdar://7516456).
**********************************************************************/
Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

/***********************************************************************
* objc_getClass.  Return the id of the named class.  If the class does
* not exist, call _objc_classLoader and then objc_classHandler, either of 
* which may create a new class.
* Warning: doesn't work if aClassName is the name of a posed-for class's isa!
**********************************************************************/
Class objc_getClass(const char *aClassName)
{
    if (!aClassName) return Nil;

    // NO unconnected, YES class handler
    return look_up_class(aClassName, NO, YES);
}

/***********************************************************************
* objc_getMetaClass.  Return the id of the meta class the named class.
* Warning: doesn't work if aClassName is the name of a posed-for class's isa!
**********************************************************************/
Class objc_getMetaClass(const char *aClassName)
{
    Class cls;

    if (!aClassName) return Nil;

    cls = objc_getClass (aClassName);
    if (!cls)
    {
        _objc_inform ("class `%s' not linked into application", aClassName);
        return Nil;
    }

    return cls->ISA();
}

通过运行时如何HOOK

+ (void)load
{
    SEL sel_classMethod = @selector(classMethod);
    SEL sel_hook_classMethod = @selector(hook_classMethod);
    
    Class metaClass_obj = object_getClass(self);//元类对象
//    Class class_obj = objc_getClass([[[self class] description] UTF8String]);//类对象
    
    Method m_classMethod = class_getClassMethod(metaClass_obj, sel_classMethod);
    Method m_hook_classMethod = class_getClassMethod(metaClass_obj, sel_hook_classMethod);
    
    BOOL isAdd = class_addMethod(metaClass_obj,
                                 sel_classMethod,
                                 method_getImplementation(m_hook_classMethod),
                                 method_getTypeEncoding(m_hook_classMethod));
    if (isAdd) {
        class_replaceMethod(metaClass_obj,
                            sel_hook_classMethod,
                            method_getImplementation(m_classMethod),
                            method_getTypeEncoding(m_classMethod));
    }else{
        method_exchangeImplementations(m_classMethod, m_hook_classMethod);
    }
}

值得注意的点：

  • class_addMethod的参数。有四个参数，后三个参数拼起来正好是Method的结构定义。如果方法已存在，会返回false。
  • 在类方法中self代表类对象，在实例方法中self代表实例对象。object_getClass(self)同样的写法在类方法中和在实例方法中得到的结果不一样。
  • hook类方法需使用class_getClassMethod，参数传入元类对象。
  • hook实例方法需使用class_getInstanceMethod，参数传入类对象。

总结：

对象方法列表是保存在类中的，如果想给类添加一个对象方法，是将该方法添加到类的方法列表中。
类方法列表是保存在元类中的，如果想要给类添加一个类方法，是将该方法添加到元类的方法列表中。

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