iOS底層原理總結(jié) - OC對(duì)象的分類↑

面試題:OC的類信息存放在哪里?
面試題:對(duì)象的isa指針指向哪里?

示例代碼

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.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 *object1 = [[NSObject alloc] init];
        NSObject *object2 = [[NSObject alloc] init];

        Student *stu = [[Student alloc] init];
        [Student load];

        Person *p1 = [[Person alloc] init];
        p1->_age = 10;
        [p1 personMethod];
        [Person personClassMethod];
        Person *p2 = [[Person alloc] init];
        p2->_age = 20;
    }
    return 0;
}

OC的類信息存放在哪里?

OC對(duì)象主要可以分為三種

  1. instance對(duì)象(實(shí)例對(duì)象)
  2. class對(duì)象(類對(duì)象)
  3. meta-class對(duì)象(元類對(duì)象)

instance對(duì)象就是通過類alloc出來的對(duì)象,每次調(diào)用alloc都會(huì)產(chǎn)生新的instance對(duì)象

NSObjcet *object1 = [[NSObjcet alloc] init];
NSObjcet *object2 = [[NSObjcet alloc] init];

object1和object2都是NSObject的instace對(duì)象(實(shí)例對(duì)象),但他們是不同的兩個(gè)對(duì)象,并且分別占據(jù)著兩塊不同的內(nèi)存。
instance對(duì)象在內(nèi)存中存儲(chǔ)的信息包括

  1. isa指針
  2. 其他成員變量
instance(實(shí)例)對(duì)象內(nèi)存

衍生問題:在上圖實(shí)例對(duì)象中根本沒有看到方法,那么實(shí)例對(duì)象的方法的代碼放在什么地方呢?那么類的方法的信息,協(xié)議的信息,屬性的信息都存放在什么地方呢?


class對(duì)象

我們通過class方法或runtime方法得到一個(gè)class對(duì)象。class對(duì)象也就是類對(duì)象

Class objectClass1 = [object1 class];
Class objectClass2 = [object2 class];
Class objectClass3 = [NSObject class];

// runtime
Class objectClass4 = object_getClass(object1);
Class objectClass5 = object_getClass(object2);
NSLog(@"%p %p %p %p %p", objectClass1, objectClass2, objectClass3, objectClass4, objectClass5);
每一個(gè)類在內(nèi)存中有且只有一個(gè)class對(duì)象。可以通過打印內(nèi)存地址證明

class對(duì)象在內(nèi)存中存儲(chǔ)的信息主要包括

  1. isa指針
  2. superclass指針
  3. 類的屬性信息(@property),類的成員變量信息(ivar)
    類的對(duì)象方法信息(instance method),類的協(xié)議信息(protocol)
class(類)對(duì)象在內(nèi)存中的存儲(chǔ)信息圖
成員變量的值時(shí)存儲(chǔ)在實(shí)例對(duì)象中的,因?yàn)橹挥挟?dāng)我們創(chuàng)建實(shí)例對(duì)象的時(shí)候才為成員變賦值。但是成員變量叫什么名字,是什么類型,只需要有一份就可以了。所以存儲(chǔ)在class對(duì)象中。

類方法放在那里?

答:元類對(duì)象 meta-class
//runtime中傳入類對(duì)象此時(shí)得到的就是元類對(duì)象
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
// 而調(diào)用類對(duì)象的class方法時(shí)得到還是類對(duì)象,無論調(diào)用多少次都是類對(duì)象
Class cls = [[NSObject class] class];
Class objectClass3 = [NSObject class];
class_isMetaClass(objectMetaClass) // 判斷該對(duì)象是否為元類對(duì)象
NSLog(@"%p %p %p", objectMetaClass, objectClass3, cls); // 后面兩個(gè)地址相同,說明多次調(diào)用class得到的還是類對(duì)象

每個(gè)類在內(nèi)存中有且只有一個(gè)meta-class對(duì)象。

meta-class對(duì)象和class對(duì)象的內(nèi)存結(jié)構(gòu)是一樣的,但是用途不一樣,在內(nèi)存中存儲(chǔ)的信息主要包括

  1. isa指針
  2. superclass指針
  3. 類的類方法的信息(class method)
meta-class(元類)對(duì)象在內(nèi)存存儲(chǔ)的信息圖例
meta-class對(duì)象和class對(duì)象的內(nèi)存結(jié)構(gòu)是一樣的,所以meta-class中也有類的屬性信息,類的對(duì)象方法信息等成員變量,但是其中的值可能是空的。
對(duì)象的isa指針指向哪里?
  1. 當(dāng)對(duì)象調(diào)用實(shí)例方法的時(shí)候,我們上面講到,實(shí)例方法信息是存儲(chǔ)在class類對(duì)象中的,那么要想找到實(shí)例方法,就必須找到class類對(duì)象,那么此時(shí)isa的作用就來了。
[stu studentMethod];

instance的isa指向class,當(dāng)調(diào)用對(duì)象方法時(shí),通過instance的isa找到class,最后找到對(duì)象方法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行調(diào)用。

  1. 當(dāng)類對(duì)象調(diào)用類方法的時(shí)候,同上,類方法是存儲(chǔ)在meta-class元類對(duì)象中的。那么要找到類方法,就需要找到meta-class元類對(duì)象,而class類對(duì)象的isa指針就指向元類對(duì)象
[Student studentClassMethod];
class的isa指向meta-class

當(dāng)調(diào)用類方法時(shí),通過class的isa找到meta-class,最后找到類方法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行調(diào)用


isa指針指向圖
  1. 當(dāng)對(duì)象調(diào)用其父類對(duì)象方法的時(shí)候,又是怎么找到父類對(duì)象方法的呢?,此時(shí)就需要使用到class類對(duì)象superclass指針。
[stu personMethod];
[stu init];

當(dāng)Student的instance對(duì)象要調(diào)用Person的對(duì)象方法時(shí),會(huì)先通過isa找到Student的class,然后通過superclass找到Person的class,最后找到對(duì)象方法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行調(diào)用,同樣如果Person發(fā)現(xiàn)自己沒有響應(yīng)的對(duì)象方法,又會(huì)通過Person的superclass指針找到NSObject的class對(duì)象,去尋找響應(yīng)的方法


對(duì)象調(diào)用父類對(duì)象方法圖例
  1. 當(dāng)類對(duì)象調(diào)用父類的類方法時(shí),就需要先通過isa指針找到meta-class,然后通過superclass去尋找響應(yīng)的方法
當(dāng)Student的class要調(diào)用Person的類方法時(shí),會(huì)先通過isa找到 Student的meta-class,然后通過superclass找到Person的meta-class,最后找到類方法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行調(diào)用

經(jīng)過上面的分析我們?cè)趤砜催@張isa指向圖,就顯得清晰明了很多。


經(jīng)典的isa指向圖
對(duì)isa、superclass總結(jié)
  1. instance的isa指向class
  2. class的isa指向meta-class
  3. meta-class的isa指向基類的meta-class,基類的isa指向自己
  4. class的superclass指向父類的class,如果沒有父類,superclass指針為nil
  5. meta-class的superclass指向父類的meta-class,基類的meta-class的superclass指向基類的class
  6. instance調(diào)用對(duì)象方法的軌跡,isa找到class,方法不存在,就通過superclass找父類
  7. class調(diào)用類方法的軌跡,isa找meta-class,方法不存在,就通過superclass找父類

如何證明isa指針的指向真的如上面所說?

我們通過如下代碼證明:

NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
Class objectClass = [NSObject class];
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
        
NSLog(@"%p %p %p", object, objectClass, objectMetaClass);

打斷點(diǎn)并通過控制臺(tái)打印相應(yīng)對(duì)象的isa指針


打印object的isa指針和objectClass的地址

我們發(fā)現(xiàn)object->isa與objectClass的地址不同,這是因?yàn)閺?4bit開始,isa需要進(jìn)行一次位運(yùn)算,才能計(jì)算出真實(shí)地址。而位運(yùn)算的值我們可以通過下載objc源代碼找到。

ISA_MASK

我們通過位運(yùn)算進(jìn)行驗(yàn)證。


isa通過位運(yùn)算計(jì)算出正確的地址

我們發(fā)現(xiàn),object-isa指針地址0x001dffff96537141經(jīng)過同0x00007ffffffffff8位運(yùn)算,得出objectClass的地址0x00007fff96537140

接著我們來驗(yàn)證class對(duì)象的isa指針是否同樣需要位運(yùn)算計(jì)算出meta-class對(duì)象的地址。
當(dāng)我們以同樣的方式打印objectClass->isa指針時(shí),發(fā)現(xiàn)無法打印


p/x objectClass->isa

同時(shí)也發(fā)現(xiàn)左邊objectClass對(duì)象中并沒有isa指針。我們來到Class內(nèi)部看一下

typedef struct objc_class *Class;

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 *` */

相信了解過isa指針的對(duì)objc_class結(jié)構(gòu)體內(nèi)的內(nèi)容很熟悉了,今天這里不深入研究,我們只看第一個(gè)對(duì)象是一個(gè)isa指針,為了拿到isa指針的地址,我們自己創(chuàng)建一個(gè)同樣的結(jié)構(gòu)體并通過強(qiáng)制轉(zhuǎn)化拿到isa指針。

struct xx_cc_objc_class{
    Class isa;
};

Class objectClass = [NSObject class];
struct xx_cc_objc_class *objectClass2 = (__bridge struct xx_cc_objc_class *)(objectClass);

此時(shí)我們重新驗(yàn)證一下


objectClass2->isa

確實(shí),objectClass2的isa指針經(jīng)過位運(yùn)算之后的地址是meta-class的地址。

本文面試題總結(jié):

  1. 一個(gè)NSObject對(duì)象占用多少內(nèi)存?
    答:一個(gè)指針變量所占用的大小(64bit占8個(gè)字節(jié),32bit占4個(gè)字節(jié))

  2. 對(duì)象的isa指針指向哪里?
    答:instance對(duì)象的isa指針指向class對(duì)象,class對(duì)象的isa指針指向meta-class對(duì)象,meta-class對(duì)象的isa指針指向基類的meta-class對(duì)象,基類自己的isa指針也指向自己。

  3. OC的類信息存放在哪里?
    答:成員變量的具體值存放在instance對(duì)象。對(duì)象方法,協(xié)議,屬性,成員變量信息存放在class對(duì)象。類方法信息存放在meta-class對(duì)象。

iOS底層原理總結(jié) - 文集

文中如有總結(jié)不對(duì)、不到位的地方歡迎指出。謝謝~

最后編輯于
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