iOS 底層原理 文章匯總

本文的主要目的是分析 類 & 類的結構，整篇都是圍繞一個類展開的一些探索

類 的分析

類的分析 主要是分析 isa的走向 以及 繼承關系

準備工作

定義兩個類

• 繼承自NSObject的類CJLPerson，

@interface CJLPerson : NSObject
{
    NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *cjl_name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end

@implementation CJLPerson
- (void)sayHello
{}
+ (void)sayBye
{}
@end

• 繼承自CJLPerson的類CJLTeacher

@interface CJLTeacher : CJLPerson
@end

@implementation CJLTeacher
@end

• 在main中分別用兩個定義兩個對象：person & teacher

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        //ISA_MASK  0x00007ffffffffff8ULL
        CJLPerson *person = [CJLPerson alloc];
        CJLTeacher *teacher = [CJLTeacher alloc];
        NSLog(@"Hello, World! %@ - %@",person,teacher);  
    }
    return 0;
}

元類

首先，我們先通過一個案例的lldb調試先引入元類

• 在main中CJLTeacher部分加一個斷點，運行程序

• 開啟lldb調試，調試的過程如下圖所示

  
  
  lldb調試過程

根據調試過程，我們產生了一個疑問：為什么圖中的p/x 0x001d8001000022dd & 0x00007ffffffffff8ULL 與 p/x 0x00000001000022b0 & 0x00007ffffffffff8ULL 中的類信息打印出來都是CJLPerson？

• 0x001d8001000022dd 是person對象的isa指針地址，其&后得到的結果是 創建person的類CJLPerson
• 0x00000001000022b0是isa中獲取的類信息所指的類的isa的指針地址，即 CJLPerson類的類 的isa指針地址，在Apple中，我們簡稱CJLPerson類的類為 元類
• 所以，兩個打印都是CJLPerson的根本原因就是因為元類導致的

元類的說明

下面來解釋什么是元類，主要有以下幾點說明：

• 我們都知道 對象的isa 是指向類，類的其實也是一個對象，可以稱為類對象，其isa的位域指向蘋果定義的元類

• 元類是系統給的，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

下面通過lldb命令來探索元類的走向，也就是isa的走位，如下圖所示，可以得出一個關系鏈：對象 --> 類 --> 元類 --> NSobject, NSObject 指向自身

isa走位

總結

從圖中可以看出

• 對象 的 isa 指向 類（也可稱為類對象）
• 類 的 isa 指向 元類
• 元類 的 isa 指向 根元類，即NSObject
• 根元類 的 isa 指向 它自己

NSObject到底有幾個？

從圖中可以看出，最后的根元類是NSObject，這個NSObject 與我們日開開發中所知道的NSObject是同一個嗎？

有以下兩種驗證方式

• 【方式一】lldb命令驗證
• 【方式二】代碼驗證

【方式一】lldb命令驗證

我們也通過lldb調試，來驗證這兩個NSObject是否是同一個，如下圖所示

驗證NSObject的唯一性

從圖中可以看出，最后NSObject類的元類 也是NSObject，與上面的CJLPerson中的根元類（NSObject）的元類，是同一個，所以可以得出一個結論：內存中只存在存在一份根元類NSObject，根元類的元類是指向它自己

【方式二】代碼驗證

通過三種不同的方式獲取類，看他們打印的地址是否相同

//MARK:--- 分析類對象內存 存在個數
void testClassNum(){
    Class class1 = [CJLPerson class];
    Class class2 = [CJLPerson alloc].class;
    Class class3 = object_getClass([CJLPerson alloc]);
    NSLog(@"\n%p-\n%p-\n%p-\n%p", class1, class2, class3);
}

以下是代碼運行的結果

代碼驗證結果

從結果中可以看出，打印的地址都是同一個，所以NSObject只有一份，即NSObject（根元類）在內存中永遠只存在一份

[面試題]：類存在幾份？

由于類的信息在內存中永遠只存在一份，所以 類對象只有一份

著名的 isa走位 & 繼承關系 圖

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

關系圖示

isa走位

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走位

superclass（即繼承關系）的走向也有以下幾點說明：

• 類 之間 的繼承關系：

  • 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

• 元類也存在繼承，元類之間的繼承關系如下：

  • 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

• 【注意】實例對象之間沒有繼承關系，類之間有繼承關系

舉例說明

以前文提及的的CJLTeacher及對象teacher 、CJLPerson及對象person舉例說明，如下圖所示

isa走位 & 繼承 舉例說明

• isa 走位鏈（兩條）

  • teacher的isa走位鏈：teacher(子類對象) --> CJLTeacher （子類）--> CJLTeacher（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（兩條）

  • 類的繼承關系鏈：CJLTeacher（子類） --> CJLPerson(父類) --> NSObject（根類）--> nil

  • 元類的繼承關系鏈：CJLTeacher（子元類） --> CJLPerson(父元類) --> NSObject（根元類）--> NSObject（根類）--> nil

objc_class & objc_object

isa走位我們理清楚了，又來了一個新的問題：為什么 對象 和 類都有isa屬性呢？這里就不得不提到兩個結構體類型：objc_class & objc_object

下面在這兩個結構體的基礎上，對上述問題進行探索。

在上一篇文章iOS-底層原理 07：isa與類關聯的原理中，使用clang編譯過main.m文件，從編譯后的c++文件中可以看到如下c++源碼

• NSObject的底層編譯是NSObject_IMPL結構體，
  • 其中 Class是isa指針的類型，是由objc_class定義的類型，
  • 而objc_class是一個結構體。在iOS中，所有的Class都是以 objc_class 為模板創建的`

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};


typedef struct objc_class *Class;

• 在objc4源碼中搜索objc_class的定義，源碼中對其的定義有兩個版本

  • 舊版 位于 runtime.h中，已經被廢除
    

    舊版objc_class定義

  • 新版 位于objc-runtime-new.h,這個是objc4-781最新優化的，我們后面的類的結構分析也是基于新版來分析的。
    

    新版objc_class定義
    
    從新版的定義中，可以看到 objc_class 結構體類型是繼承自 objc_object的，

• 在objc4源碼中搜索objc_object (或者 objc_object {,這個類型也有兩個版本

  • 一個位于 objc.h，沒有被廢除，從編譯的main.cpp中可以看到，使用的這個版本的objc_object
    
    objc.h中的objc_object定義
  • 位于 objc-privat.h
    
    objc-privat.h中的objc_object定義

以下是編譯后的main.cpp中的objc_object的定義

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

【問題】objc_class 與 objc_object 有什么關系？

通過上述的源碼查找以及main.cpp中底層編譯源碼，有以下幾點說明：

• 結構體類型objc_class 繼承自objc_object類型，其中objc_object也是一個結構體，且有一個isa屬性，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（即有isa屬性），主要是因為isa 是由 NSObject 從objc_class繼承過來的，而objc_class繼承自objc_object，objc_object 有isa屬性。所以對象都有一個 isa，isa表示指向，來自于當前的objc_object

• objc_object（結構體） 是 當前的 根對象，所有的對象都有這樣一個特性 objc_object，即擁有isa屬性

【百度面試題】objc_object 與 對象的關系

• 所有的對象 都是以 objc_object為模板繼承過來的

• 所有的對象 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

【總結】 objc_object 與 對象的關系 是 繼承關系

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

• 簡單概括就是萬物皆對象，萬物皆來源于objc_object，有以下兩點結論：

  • 所有以 objc_object為模板 創建的對象，都有isa屬性

  • 所有以objc_class為模板，創建的類，都有isa屬性

• 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CJLPerson

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

整體關系圖示

類結構分析

主要是分析類信息中存儲了哪些內容

補充知識-內存偏移

在分析類結構之前，需要先了解內存偏移，因為類信息中訪問時，需要使用內存偏移

【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);

打印結果如下圖所示

普通指針打印結果

• 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，也稱為深拷貝

• a,b的地址之間相差 4 個字節，這取決于a、b的類型

其地址指向如圖所示

地址指向圖示

【對象指針】

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

打印結果如圖所示

對象指針打印結果

• p1、p2 是指針，p1 是 指向 [CJLPerson 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

其指針的指向如下圖所示

對象指針指向

【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);

打印結果如下

數組打印結果

• &c 和 &c[0] 都是取 首地址，即數組名等于首地址
• &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

其指針指向如下所示

數組指針指向

探索類信息中都有哪些內容

探索類信息中有什么時，事先我們并不清楚類的結構是什么樣的，但是我們可以通過類得到一個首地址，然后通過地址平移去獲取里面所有的值

根據前文提及的objc_class 的新版定義（objc4-781版本）如下，有以下幾個屬性

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA; //8字節
    Class superclass; //Class 類型 8字節
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
    
    //....方法部分省略，未貼出
}

• 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：簡單從類型class_data_bits_t目前無法得知，而class_data_bits_t是一個結構體類型，結構體的內存大小需要根據內部的屬性來確定，而結構體指針才是8字節

• 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

計算 cache 類的內存大小

進入cache類cache_t的定義（只貼出了結構體中非static修飾的屬性，主要是因為static類型的屬性 不存在結構體的內存中），有如下幾個屬性

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; //是指針，占8字節
    mask_t _mask_unused; //是mask_t 類型，而 mask_t 是 uint32_t 類型定義的別名，占4字節
    
#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

• 計算前兩個屬性的內存大小，有以下兩種情況，最后的內存大小總和都是12字節

  • 【情況一】if流程

    • buckets 類型是struct bucket_t *，是結構體指針類型，占8字節

    • mask 是mask_t 類型，而 mask_t 是 unsigned int 的別名，占4字節

  • 【情況二】elseif流程

    • _maskAndBuckets 是uintptr_t類型，它是一個指針，占8字節

    • _mask_unused 是mask_t 類型，而 mask_t 是 uint32_t 類型定義的別名，占4字節

• _flags 是uint16_t類型，uint16_t是 unsigned short 的別名，占 2個字節

• _occupied 是uint16_t類型，uint16_t是 unsigned short 的別名，占 2個字節

總結：所以最后計算出cache類的內存大小 = 12 + 2 + 2 = 16字節

獲取bits

所以有上述計算可知，想要獲取bits的中的內容，只需通過類的首地址平移32字節即可

以下是通過lldb命令調試的過程

獲取bits的lldb調試流程

• 獲取類的首地址有兩種方式

  • 通過p/x CJLPerson.class直接獲取首地址

  • 通過x/4gx CJLPerson.class，打印內存信息獲取

獲取首地址圖示

• 其中的data()獲取數據，是由objc_class提供的方法
  

  data方法

• 從$2指針的打印結果中可以看出bits中存儲的信息，其類型是class_rw_t，也是一個結構體類型。但我們還是沒有看到屬性列表、方法列表等，需要繼續往下探索

探索 屬性列表，即 property_list

通過查看class_rw_t定義的源碼發現，結構體中有提供相應的方法去獲取 屬性列表、方法列表等，如下所示

class_rw_t中的相關方法

在獲取bits并打印bits信息的基礎上，通過class_rw_t提供的方法，繼續探索 bits中的屬性列表，以下是lldb 探索的過程圖示

獲取屬性列表的lldb調試流程

• p $8.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

• 由于list的類型是property_list_t，是一個指針，所以通過 p *$10獲取內存中的信息，同時也證明bits中存儲了 property_list，即屬性列表

• p $11.get(1)，想要獲取CJLPerson中的成員變量``bobby， 發現會報錯，提示數組越界了，說明 property_list 中只有 一個屬性cjl_name

【問題】探索成員變量的存儲

由此可得出property_list 中只有屬性，沒有成員變量，屬性與成員變量的區別就是有沒有set、get方法，如果有，則是屬性，如果沒有，則是成員變量。

那么問題來了，成員變量存儲在哪里？為什么會有這種情況？請移至文末的分析與探索

探索 方法列表，即methods_list

準備工作：在前文提及的CJLPerson中增加兩個方法（實例方法 & 類方法）

//CJLPerson.h
@property (nonatomic, copy) NSString *cjl_name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end

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

也是通過lldb調試來獲取方法列表，步驟如圖所示

獲取方法列表的lldb調試流程

• 通過 p $4.methods() 獲得具體的方法列表的list結構，其中methods也是class_rw_t提供的方法

• 通過打印的count = 4可知，存儲了4個方法,可以通過p $7.get(i)內存偏移的方式獲取單個方法,i 的范圍是0-3

• 如果在打印 p $7.get(4)，獲取第五個方法，也會報錯，提示數組越界

新問題的探索

【問題】探索成員變量的存儲

由上面的屬性列表分析可得出property_list 中只有屬性，沒有成員變量，那么問題來了，成員變量存儲在哪里？為什么會有這種情況？

通過查看objc_class中bits屬性中存儲數據的類class_rw_t的定義發現，除了methods、properties、protocols方法，還有一個ro方法，其返回類型是class_ro_t，通過查看其定義，發現其中有一個ivars屬性，我們可以做如下猜測：是否成員變量就存儲在這個ivar_list_t類型的ivars屬性中呢？

下面是lldb的調試過程

成員變量存儲探索的調試

• class_ro_t結構體中的屬性如下所示，想要獲取ivars，需要ro的首地址平移48字節

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;     //4
    uint32_t instanceStart;//4
    uint32_t instanceSize;//4
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;  //4
#endif

    const uint8_t * ivarLayout; //8
    
    const char * name; //1 ? 8
    method_list_t * baseMethodList; // 8
    protocol_list_t * baseProtocols; // 8
    const ivar_list_t * ivars;

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;
    
    //方法省略
}

通過圖中可以看出，獲取的ivars屬性，其中的count 為2，通過打印發現 成員列表中除了有hobby，還有name，所以可以得出以下一些結論：

• 通過{}定義的成員變量，會存儲在類的bits屬性中，通過bits --> data() -->ro() --> ivars獲取成員變量列表，除了包括成員變量，還包括屬性定義的成員變量

• 通過@property定義的屬性，也會存儲在bits屬性中，通過bits --> data() --> properties() --> list獲取屬性列表，其中只包含屬性

【問題】探索類方法的存儲

由此可得出methods list 中只有 實例方法，沒有類方法，那么問題來了，類方法存儲在哪里？為什么會有這種情況？下面我們來仔細分析下

在文章前半部分，我們曾提及了元類，類對象的isa指向就是元類，元類是用來存儲類的相關信息的，所以我們猜測：是否類方法存儲在元類的bits中呢？可以通過lldb命令來驗證我們的猜測。下圖是lldb命令的調試流程

類方法存儲的探索流程

通過圖中元類方法列表的打印結果，我們可以知道，我們的猜測是正確的，所以可以得出以下結論：

• 類的實例方法存儲在類的bits屬性中，通過bits --> methods() --> list獲取實例方法列表，例如CJLPersong類的實例方法sayHello 就存儲在 CJLPerson類的bits屬性中，類中的方法列表除了包括實例方法，還包括屬性的set方法 和 get方法

• 類的類方法存儲在元類的bits屬性中，通過元類bits --> methods() --> list獲取類方法列表，例如CJLPerson中的類方法sayBye 就存儲在CJLPerson類的元類（名稱也是CJLPerson）的bits屬性中