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類的分析

準備工作，我們先創建兩個類繼承NSObject的LGPerson和繼承LGPerson的LGStudent：

//.h文件
@interface LGPerson : NSObject
{
    NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *lg_name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end

//.m文件
@implementation LGPerson
- (void)sayHello
{
}
+ (void)sayBye
{
}
@end

在main.m文件中如下設置

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        LGPerson *person = [LGPerson alloc];
        LGStudent *student = [LGStudent alloc];
        NSLog(@"Hello, World! %@ - %@",person,student);
    }
    return 0;
}

類結構的分析
在mian.m文件LGStudent *student = [LGStudent alloc];處打上斷點運行一下項目工程，使用lldb進行調試

lldb調試過程及輸出結果
- 首先我們可以根據lldb命令得到person的內存分布，我們知道0x001d8001000022dd是person的內存指針，接著使用這個指針&0x00007ffffffffff8ULL，可以獲取類的相關信息$3 = 0x00000001000022d8。
- 接著po 0x00000001000022d8來打印類的信息,我們發現結果為LGPerson；
- x/4gx 0x00000001000022d8,來打印LGPerson的內存情況，我們同樣的可以拿到類的isa指針地址0x00000001000022b0;
- 下一步，p/x 0x00000001000022b0 & 0x00007ffffffffff8ULL,我們來獲取類的信息，我們得到$5 = 0x00000001000022b0類的指針地址；
- 下一步：通過po 0x00000001000022b0，發現結果還是LGPerson，這是為什么呢？這里先簡單說一下這個LGPerson是元類；下面小節在詳細說明元類的問題。

二、元類，主要有以下幾點說明：

我們都知道 對象的isa是指向類，類其實也是一個對象，可以稱為類對象，其isa的位域指向蘋果定義的元類。
元類是系統設置的，其定義和創建都是由編譯器完成，在這個過程中，類的歸屬來自于`元類。
元類是類對象的類，每個類都有一個獨一無二的元類用來存儲類方法的相關信息。
元類本身是沒有名稱的，由于與類相關聯，所以使用了同類名一樣的名稱。

總結：由上圖的打印結果我們可以得出如下結論：對象 --> 類 --> 元類 --> NSobject, NSObject 指向自身。

三、isa走位 & 繼承關系

根據上面的探索以及各種驗證，對象、類、元類、根元類的關系如下圖所示

isa走位 & 繼承關系流程圖

isa的走向有以下幾點說明：

實例對象（Instance of Subclass）的 isa 指向 類（class）
類對象（class） isa指向元類（Meta class）
元類（Meta class）的isa指向根元類（Root metal class）
根元類（Root metal class）的isa 指向它自己本身，形成閉環，這里的根元類就是NSObject。

superclass（即繼承關系）的走向也有以下幾點說明：

類（subClass） 繼承自 父類（superClass）
父類（superClass） 繼承自 根類（RootClass），此時的根類是指NSObject。
根類繼承自 nil，所以根類即NSObject可以理解為萬物起源，即無中生有。
子類的元類（metal SubClass） 繼承自 父類的元類（metal SuperClass）。
父類的元類（metal SuperClass） 繼承自根元類（Root metal Class。
根元類（Root metal Class） 繼承于根類（Root class），此時的根類是指NSObject。

舉例說明

2251862-48a5603729fdf0a9.png

isa 走位鏈

student的isa走位鏈：student(子類對象) --> LGStudent （子類）--> LGStudent（子元類） --> NSObject（根元類） --> NSObject（跟根元類，即自己）
-person的isa走位圖：person(父類對象) --> CJLPerson （父類）--> CJLPerson（父元類） --> NSObject（根元類） --> NSObject（跟根元類，即自己）

superclass走位鏈

類的繼承關系鏈：LGStudent（子類） --> CJLPerson(父類) --> NSObject（根類）--> nil
元類的繼承關系鏈：LGStudent（子元類） --> CJLPerson(父元類) --> NSObject（根元類）--> NSObject（根類）--> nil

四、objc_class & objc_object

在分析objc_class & objc_object我們先引入一個問題，為什么類和對象都有isa屬性呢？
我們先將main.m文件編譯為main.cpp來分析一下這個問題。我們根據clang編譯的c++源碼可以看出NSObject的底層編譯是NSObject_IMPL結構體，并且對象含有Class isa，代碼如下

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

typedef struct objc_class *Class;


struct objc_object {
    Class _Nonnull isa __attribute__((deprecated));
};

下面我們通過在objc4源碼中搜索來探索objc_class & objc_object

objc_class在源碼中搜索到兩種相關源碼
第一種已經不再使用了，并且和我們使用Clang編譯后的一樣

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

} OBJC2_UNAVAILABLE;

另外一種，我們選擇主要的代碼進行展示如下

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() const {
        return bits.data();
    }
};

我們發現objc_class繼承自objc_object，下面我們再看看objc_object源碼，

objc_object源碼

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
};

總結：

我們根據源碼發現objc_object結構體定義了isa作為它的一個屬性，objc_class繼承自objc_object，所以objc_class也擁有了isa屬性。
mian.cpp底層編譯文件中，NSObject中的isa在底層是由Class 定義的，其中class的底層編碼來自 objc_class類型，所以NSObject也擁有了isa屬性。
NSObject是一個類，用它初始化一個實例對象objc，objc 滿足 objc_object 的特性，所以對象都有一個 isa，isa表示指向，來自于當前的objc_object。
所以所有的對象都是以 objc_object為模板繼承過來的。
因為對象是來自NSObject（OC） ，但是真正到底層的是一個objc_object（C/C++）的結構體類型,所以 objc_object 與 對象的關系 是繼承關系。

objc_class、objc_object、isa、object、NSObject等的整體的關系，如下圖所示

2251862-7b4c0996f92eb166.png

類的方法

我們根據下面類的底層實現源碼來探索一下，類的實例方法存儲在哪里，來具體探索一下類的結構是怎樣的？

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    

 // ......部分代碼不在展示

}

在探索之前我們需要補充一下知識，關于內存偏移，我們先使用實例說明一下這個內存偏移；
【普通指針】

        //普通指針
        int a = 10; //變量
        int b = 10;
        NSLog(@"%d -- %p", a, &a);
        NSLog(@"%d -- %p", b, &b);

輸出的結果

截屏2020-09-21 09.37.28.png

我們可以從控制臺看出，a和b兩個指針指向了同一片的存儲著10的空間。

a、b都指向10，但是a、b的地址``不一樣，這是一種拷貝，屬于值拷貝，也稱為淺拷貝
a,b的地址之間相差4個字節，這取決于a、b的類型
【對象指針】

        LGPerson *p1 = [LGPerson alloc]; // p1 是指針
        LGPerson *p2 = [LGPerson alloc];
        NSLog(@"%d -- %p", p1, &p1);
        NSLog(@"%d -- %p", p2, &p2);

輸出結果

截屏2020-09-21 09.42.12.png

p1、p2 是指針，p1是指向 [LGPerson alloc]創建的空間地址，即內存地址，p2 同理
&p1、&p2是指向 p1、p2對象指針的地址，這個指針就是二級指針
【數組指針】

//數組指針
    int c[4] = {1, 2, 3, 4};
    int *d = c;
    NSLog(@"%p -- %p - %p", &c, &c[0], &c[1]);
    NSLog(@"%p -- %p - %p", d, d+1, d+2);

輸出結果

截屏2020-09-21 09.45.06.png

&c和 &c[0] 都是取這個數組的首地址，所以``數組名等同于首地址；
&c 與 &c[1] 相差4個字節，地址之間相差的字節數，主要取決于存儲的數據類型可以通過首地址+偏移量取出數組中的其他元素，其中偏移量是數組的下標，內存中首地址實際移動的字節數 等于偏移量 * 數據類型字節數`；

計算類結構的內存大小

通過上面類結構的源碼我們來計算一下類的大小
-isa屬性：繼承自objc_object的isa，占 8字節；

superclass屬性：Class類型，Class是由objc_object定義的，是一個指針，占8字節
cache屬性：是cache_t結構體類型，我們應該按照計算結構體內存大小的規則來計算，而結構體指針才是8字節；下面代碼可以計算出cache占16字節

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;// 是一個結構體指針類型，占8字節
    explicit_atomic<mask_t> _mask;//是mask_t 類型，而 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;
    mask_t _mask_unused;
//省略部分代碼
#if __LP64__
    uint16_t _flags; //是uint16_t類型，uint16_t是 unsigned short 的別名，占 2個字節
#endif
    uint16_t _occupied; //是uint16_t類型，uint16_t是 unsigned short 的別名，占 2個字節
//省略部分代碼
}

bits屬性：只有首地址經過上面3個屬性的內存大小總和的平移，才能獲取到bits`；

類結構中方法分析流程

(lldb) p/x LGPerson.class
(Class) $0 = 0x00000001000022f0 LGPerson
(lldb) //平移32個字節
error: '//平移32個字節' is not a valid command.
(lldb) p/x 0x00000001000022f0 + 32
(long) $1 = 0x0000000100002310
(lldb) 獲取bit 
error: '獲取bit' is not a valid command.
(lldb) p (class_data_bits_t *)0x0000000100002310
(class_data_bits_t *) $2 = 0x0000000100002310
(lldb) 通過結構體的data()來獲取bits
error: '通過結構體的data()來獲取bits' is not a valid command.
(lldb) p $2 -> data()
(class_rw_t *) $3 = 0x0000000102018a20
(lldb) 獲取methods(）
error: '獲取methods(）' is not a valid command.
(lldb) p $3.methods()
(const method_array_t) $4 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002180
      arrayAndFlag = 4294975872
    }
  }
}
  Fix-it applied, fixed expression was: 
    $3->methods()
(lldb) 獲取list
error: '獲取list' is not a valid command.
(lldb) p $4.list
(method_list_t *const) $5 = 0x0000000100002180
(lldb) 打印list內容
error: '打印list內容' is not a valid command.
(lldb) p *$5
(method_list_t) $6 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
    entsizeAndFlags = 26
    count = 4
    first = {
      name = "sayHello"
      types = 0x0000000100000f85 "v16@0:8"
      imp = 0x0000000100000d80 (KCObjc`-[LGPerson sayHello])
    }
  }
}
(lldb)

截屏2020-09-18 17.49.44.png

關于類的屬性

(lldb) p $3.properties()
(const property_array_t) $7 = {
  list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002230
      arrayAndFlag = 4294976048
    }
  }
}
  Fix-it applied, fixed expression was: 
    $3->properties()
(lldb) p $7.list
(property_list_t *const) $8 = 0x0000000100002230
(lldb) p *$8
(property_list_t) $9 = {
  entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> = {
    entsizeAndFlags = 16
    count = 1
    first = (name = "lg_name", attributes = "T@\"NSString\",C,N,V_lg_name")
  }
}

總結：類的實例方法和類的屬性都存在bits中，我們發現類的類方法和類的成員變量卻沒有打印，我們可以思考一下，它們存在哪里呢？類的類方法會不會存在元類里面呢？下一節我們接著探索一下這個內容。

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類的分析

二、元類，主要有以下幾點說明：

三、isa走位 & 繼承關系

四、objc_class & objc_object

總結：

類的方法

計算類結構的內存大小

類結構中方法分析流程

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類的分析

二、元類，主要有以下幾點說明：

三、isa走位 & 繼承關系

四、objc_class & objc_object

總結：

類的方法

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類結構中方法分析流程

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二、元類，主要有以下幾點說明：

三、isa走位 & 繼承關系