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iOS底層原理總結 - 探尋Class的本質

來源：圖騰培訓網更新：2019-03-03 22:22:50 | 關注94人

Class的本質

我們知道不管是類對象還是元類對象，類型都是Class，class和mete-class的底層都是objc_class結構體的指針，內存中就是結構體，本章來探尋Class的本質。

Class objectClass = [NSObject class];
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);

點擊Class來到內部，我們可以發現

typedef struct objc_class *Class;

Class對象其實是一個指向objc_class結構體的指針。因此我們可以說類對象或元類對象在內存中其實就是objc_class結構體。

我們來到objc_class內部，可以看到這段在底層原理中經常出現的代碼。

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 *` */

這部分代碼相信在文章中很常見，但是OBJC2_UNAVAILABLE;說明這些代碼已經不在使用了。那么目前objc_class的結構是什么樣的呢？我們通過objc源碼中去查找objc_class結構體的內容。

我們發現這個結構體繼承 objc_object 并且結構體內有一些函數，因為這是c++結構體，在c上做了擴展，因此結構體中可以包含函數。我們來到objc_object內，截取部分代碼

我們發現objc_object中有一個isa指針，那么objc_class繼承objc_object，也就同樣擁有一個isa指針

那么我們之前了解到的，類中存儲的類的成員變量信息，實例方法，屬性名等這些信息在哪里呢。我們來到class_rw_t中，截取部分代碼，我們發現class_rw_t中存儲著方法列表，屬性列表，協議列表等內容。

而class_rw_t是通過bits調用data方法得來的，我們來到data方法內部實現。我們可以看到，data函數內部僅僅對bits進行&FAST_DATA_MASK操作

而成員變量信息則是存儲在class_ro_t內部中的，我們來到class_ro_t內查看。

最后總結通過一張圖進行總結

如何證明上述內容是正確的。

我們可以自定義一個結構體，如果我們自己寫的結構和objc_class真實結構是一樣的，那么當我們強制轉化的時候，就會一一對應的賦值。此時我們就可以拿到結構體內部的信息。

下列代碼是我們仿照objc_class結構體，提取其中需要使用到的信息，自定義的一個結構體。

#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對象占用的內存空間
#ifdef __LP64__
uint32_t reserved;
#endif
const uint8_t * ivarLayout;
const char * name; // 類名
method_list_t * baseMethodList;
protocol_list_t * baseProtocols;
const ivar_list_t * ivars; // 成員變量列表
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; // 屬性列表
const protocol_list_t * protocols; // 協議列表
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()方法進行 & FAST_DATA_MASK 操作
return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}
};

/* OC對象 */
struct xx_objc_object {
void *isa;
};

/* 類對象 */
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函數，獲取元類對象
// 上一篇我們講解過，isa指針需要經過一次 & 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 */

接下來我們將自己定義的類強制轉化為我們自定義的精簡的class結構體類型。

#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;
}

通過打斷點，我們可以看到class內部信息。

至此，我們再次拿出那張經典的圖，挨個分析圖中isa指針和superclass指針的指向

instance對象

首先我們來看instance對象，我們通過上一篇文章知道，instance對象中存儲著isa指針和其他成員變量，并且instance對象的isa指針是指向其類對象地址的。我們首先分析上述代碼中我們創建的object，person，student三個instance對象與其相對應的類對象objectClass，personClass，studentClass。

從上圖中我們可以發現instance對象中確實存儲了isa指針和其成員變量，同時將instance對象的isa指針經過&運算之后計算出的地址確實是其相應類對象的內存地址。由此我們證明isa，superclass指向圖中的1，2，3號線。

class對象

接著我們來看class對象，同樣通過上一篇文章，我們明確class對象中存儲著isa指針，superclass指針，以及類的屬性信息，類的成員變量信息，類的對象方法，和類的協議信息，而通過上面對object源碼的分析，我們知道這些信息存儲在class對象的class_rw_t中，我們通過強制轉化來窺探其中的內容。如下圖

上圖中我們通過模擬對person類對象調用.data函數，即對bits進行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)運算，并轉化為class_rw_t。即上圖中的personClassData。其中我們發現成員變量信息，對象方法，屬性等信息只顯示first第一個，如果想要拿到更多的需要通過代碼將指針后移獲取。而上圖中的instaceSize = 16也同person對象中isa指針8個字節+_age4個字節+_height4個字節相對應起來。這里不在展開對objectClassData及studentClassData進行分析，基本內容同personClassData相同。

那么類對象中的isa指針和superclass指針的指向是否如那張經典的圖示呢？我們來驗證一下。

通過上圖中的內存地址的分析，由此我們證明isa，superclass指向圖中，isa指針的4，5，6號線，以及superclass指針的10，11，12號線。

meta-class對象

最后我們來看meta-class元類對象，上文提到meta-class中存儲著isa指針，superclass指針，以及類的類方法信息。同時我們知道meta-class元類對象與class類對象，具有相同的結構，只不過存儲的信息不同，并且元類對象的isa指針指向基類的元類對象，基類的元類對象的isa指針指向自己。元類對象的superclass指針指向其父類的元類對象，基類的元類對象的superclass指針指向其類對象。

與class對象相同，我們同樣通過模擬對person元類對象調用.data函數，即對bits進行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)運算，并轉化為class_rw_t。