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iOS 底層探索：學習大綱 OC篇

前言

這篇主要內容探索類的結構分析。
通過上篇iOS 探索 isa與類關聯的原理,知道了isa關聯了當前的類信息之后，類的屬性、方法列表等存在哪里呢？抱著疑問我們開始類的結構的探索。

準備工作

復習指針的基本知識：c語言的指針
復習調試輸出指令：LLDB調試技巧

一、引入元類

我們通過LLDB調試, 先探索類的內存信息。

類的內存分析

注：其實圖中第二個打印的指針指向的HJPerson的元類。

打印的具體流程如下：

打印內存分析圖

那么我們按照上圖的打印分析，我們繼續尋找元類的上層是啥呢？如下圖

探索元類的終點

如圖2、3、4中打印元類還有根元類NSObject ，圖中3和4的又不一樣，分析可知一個是NSObject類 一個是 NSObject的元類，NSObject的元類又是HJPerson的元類的根元類, 根源類再次查看地址還是自己，說明已經到底了。

先梳理一下isa指向流程：isa對象——> 類HJPerson ——>元類HJPerson ——> 根元類NSObject <=> 根元類NSObject

拓展：查看根元類的內存

從圖片上可以看出，NSObject的元類、根元類，根根元類的指針地址都是一模一樣的

總結一下對元類的理解：

元類就是類對象所屬的類。所以，實例是類的實例，類作為對象又是元類的實例。OC中所有的類都是一種對象，所以元類也是對象，那么元類是根元類的實例，同時根元類是其自身的實例。

二、分析isa、對象、類和元類的關系

對象、類和元類跟隨isa指針走向關系簡單流程如下圖

元類也有isa指針,它的isa指針最終指向的是一個根元類(root metaClass);
根元類的isa指針指向本身，這樣形成了一個封閉的內循環；

最終各個類實例變量的繼承關系如圖：

isa經典流程圖

isa流程圖注：

superClass是一層層集成的，到最后NSObject的superClass是nil。而NSObject的isa指向根元類，這個根元類的isa指向它自己，而它的>superClass是NSObject，也就是最后形成一個環。

metaClass也是相互繼承的。

三、源碼分析 isa的來源：`objc_class與objc_object`

struct HJPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
};

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

查看HJPerson類的編譯后的結構體，我們發現NSObject_IMPL也是個結構體，結構體內部的isa是一個class類型的，說明isa也是一個class的對象，那么class又是啥？

再次查看class 的來源

 //class又是objc_class的對象
typedef struct objc_class *Class;
 //objc_object結構體里面有isa
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
//objc_class 繼承objc_object
struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;                 //默認有個 ISA
    Class superclass;         //父類
    cache_t cache;             //緩存
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

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

可以看出：

Class 是一個objc_class 結構類型的對象,id是一個 objc_object結構類型的對象。
objc_object結構體中可以看出來，這個結構體只有一個成員變量，這是一個Class類型的變量isa。
objc_class又繼承objc_object,其中// Class ISA;，這里其實就是isa指向的終點。這里注釋不是表示沒有，而是代表本身自帶一個isa。
從objc_class結構體可以看出來，里面有個isa屬性，還有個super_class屬性，它倆都是指針，其實在objc_class的定義中也能看出來，每一個objc_class都有isa，但是不一定會有super_class。

總結：

所有的對象 + 類 + 元類都有isa屬性
所有的對象都是由objc_object繼承來的,所以常說萬物皆對象
在結構層面可以通俗的理解為上層OC 與底層的對接：
- 下層是通過結構體定義的模板，例如objc_class、objc_object
- 上層是通過底層的模板創建的一些類型，例如HJPerson

四、針對數組指針進行內存平移拓展

數組指針的平移推導流程：

數組指針

說明：

發現數組地址和數組的值1的地址一樣。說明了數組值的首地址即為數組的地址。并且數組的第二個值的地址跟第一個值的地址的偏移量是4個字節，也就是int的長度。所以數組中的值的地址是相對平移
-偏移：指針變量的偏移，用數組的指針訪問數組元素可以反向推導數組的值
拓展：類似結構體，我們是否也可以通過地址的偏移拿到類的結構體內部的值呢？

五、類的內存結構分析

通過源碼拿到類對象的結構體 objc_class 在最新版（objc4-781版本）定義

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA; //默認含有一個8字節isa指針
    Class superclass; //父類指針 8字節
    cache_t cache;             // 緩存 16字節
    class_data_bits_t bits;    //類的信息

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

bits 里面存的是各種方法協議的信息。通過內存平移原理我們可以通過底層的方法獲取到類的信息。

1. 通過偏移計算類的bits，
分析如圖

偏移計算類的bits

注：

32字節的由來

兩個class 都是isa 指針是8+8個字節這個好理解

我們來看 cache_t cache 為什么是16字節呢？

2.查看源碼分析 cache_t結構體大小

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;  //bucket_t * 這是一個指針 8 字節
    explicit_atomic<mask_t> _mask; //mask_t的定義：typedef uint32_t mask_t;  mask_t 是 unsigned int 的別名，占4字節
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets; //typedef unsigned long   uintptr_t;（unsigned long） 占8字節
    mask_t _mask_unused; //mask_t 是 unsigned int 的別名，占4字節
    
    // 以下 static 修飾的變量不在結構體內存中 所以忽略
    static constexpr uintptr_t maskShift = 48;
    static constexpr uintptr_t maskZeroBits = 4;
    static constexpr uintptr_t maxMask = ((uintptr_t)1 << (64 - maskShift)) - 1;
    static constexpr uintptr_t bucketsMask = ((uintptr_t)1 << (maskShift - maskZeroBits)) - 1;
    static_assert(bucketsMask >= MACH_VM_MAX_ADDRESS, "Bucket field doesn't have enough bits for arbitrary pointers.");
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets; // uintptr_t;（unsigned long） 占8字節
    mask_t _mask_unused;//mask_t 是 unsigned int 的別名，占4字節
    static constexpr uintptr_t maskBits = 4;
    static constexpr uintptr_t maskMask = (1 << maskBits) - 1;
    static constexpr uintptr_t bucketsMask = ~maskMask;
#else
#error Unknown cache mask storage type.
#endif
    
#if __LP64__
    uint16_t _flags; //unsigned short 2個字節
#endif
    uint16_t _occupied; //unsigned short 2個字節

根據源碼中注釋進行計算：分析if else中的判斷條件
最后結果： 8+4+2+2 = 16

3.通過源碼查看屬性方法協議：

通過查看class_rw_t定義的源碼發現，跳轉class_rw_t到源碼中查看，可以看到如圖

image.png

通過lldb查看屬性列表property_list

如下圖

lldb查看屬性列表

打印方法解釋：

p $9.properties()：命令中的propertoes方法是由class_rw_t提供的,方法中返回的實際類型為property_array_t；
p $10.list ：list是properties的成員；
p *$13：直接獲取property_list_t的指針內容；
p $14.get(0)：通過get方法獲取屬性；

4.lldb 查看方法列表methods_list：

如下圖

lldb查看方法列表打印

注：

類方法+ (void)playByteRoll; 獲取到的 name = ".cxx_destruct"說明了類方法不存在類中，調用類方法需要底層操作一波兒；
對象方法、set 、get方法自動生成在方法列表中。

5.查找類的類方法：

其實元類中儲存著類的類方法，在lldb中查找如圖：

lldb類的類方法分析圖.png

6.查找類的成員變量：
我們知道屬性 = 成員變量 + set方法 + get方法，所以我們猜成員變量估計也在類中。
我們在源碼中查找

成員變量查找流程

注：實例變量ivars 是成員變量的一部分。所以ivars 存的就是成員變量。
再來通過lldb查找

lldb查找類的成員變量

五、總結

這篇內容思路：
引入元類——>查看isa走勢圖——>isa的指向的根源objc_class——>輸出objc_class的bits屬性——>在bits中找到屬性、方法、成員變量、并在元類中找到類方法——>從而清晰的分析了大致的類的結構

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iOS 底層探索：類的結構分析

iOS 底層探索：類的結構分析

前言

準備工作

一、引入元類

總結一下對元類的理解：

二、分析isa、對象、類和元類的關系

最終各個類實例變量的繼承關系如圖：

isa經典流程圖

三、源碼分析 isa的來源：`objc_class與objc_object`

總結：

四、針對數組指針進行內存平移拓展

五、類的內存結構分析

五、總結

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iOS 底層探索：類的結構分析

前言

準備工作

一、引入元類

總結一下對元類的理解：

二、 分析isa、對象、類和元類的關系

最終各個類實例變量的繼承關系如圖： isa經典流程圖

三、源碼分析 isa的來源：objc_class與objc_object

總結：

四、針對數組指針進行內存平移拓展

五、類的內存結構分析

五、總結

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二、分析isa、對象、類和元類的關系

最終各個類實例變量的繼承關系如圖：

isa經典流程圖

三、源碼分析 isa的來源：`objc_class與objc_object`