首先，我们看下几个类型：NSObject、Class、objc_object、objc_class、id的联系与区别。
- NSObject：OC中的基类，绝大多数类都继承
NSObject（NSProxy也是基类哦~） - Class：
NSObject的类型，在objc源码的NSObject.mm文件中可以看到
+ (Class)class {
return self;
}
- objc_object：
NSObject类在C++的底层实现的结构体名称，在生成的cpp文件中可以看到，它和NSObject是同一个东西，只是在不同语言环境的名字不同。objc_object结构体里面，只有一个成员变量isa指针。
typedef struct objc_object NSObject;
struct objc_object {
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
- objc_class：
Class在C++底层实现的结构体名称，在生成的cpp文件中可以看到，它和Class是同一个东西，只是在不同语言环境的名字不同。
typedef struct objc_class *Class;
- id：OC环境中可以指向任何类型，并且不用带*号
typedef struct objc_object *id;
isa与superClass探究
我们先看下类在内存中地址，是不是每创建一对象，都会创建一个新的与之对应的类。
void getSJPersonClass(void) {
Class cls1 = SJPerson.class;
Class cls2 = [SJPerson alloc].class;
Class cls3 = object_getClass([SJPerson alloc]);
Class cls4 = [SJPerson alloc].class;
NSLog(@"cls1 : %p \n cls1 : %p \n cls1 : %p \n cls1 : %p \n", cls1, cls2, cls3, cls4);
}
执行getSJPersonClass，打印结果如下：
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也就是同样的类，在内存中只会有1份。
我们打印实例变量p的内存，我们知道前8位是isa指针
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isa地址与ISA_MASK做与运算，可以拿到类对象的地址。
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我们继续拿类的isa地址与ISA_MASK做与运算，看可以得到什么。
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我们看到，最后打印的结果也是
SJPerson，但是两个SJPerson的地址不一样，一个0x00000001000085f8，一个0x00000001000085d0，也就是说这两个不是一个类型。在这就不卖关子了，第二个SJPerson就是我们常说的元类。为什么是元类呢，我们可以在machOView中找到相关内容：
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看到有一个
metaclass也就是元类。那我们继续看下元类的
isa指向哪里。
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我们看到SJPerosn元类的isa打印出来是ONObject，但是地址和NSObject类对象地址不一样，我们在打印NSObject的元类地址，发现地址一致了，也就是说SJPerson的元类的isa指向NSObject元类。SJPerson继承自NSObject，那是不是说明直接指向父类的元类呢，我们再创建一个SJStudent继承SJPerson，再试一下。
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我们看到
$3与$5相同，也就是说，无论对象继承谁，自定义对象的元类的isa都指向根元类。继续往下，我们看下
NSObject元类的isa指向哪里。
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isa指向它自己。isa指向链我们看完了，再看下继承关系，元类也有继承吗，我们用以下代码测试以下：
NSObject *obj = [NSObject alloc];
Class objCls = object_getClass(obj);
Class objMetaCls = object_getClass(objCls);
Class objRootMetaCls = object_getClass(objMetaCls);
NSLog(@"NSObject实例对象： %p \n NSObject类对象： %p \n NSObject元类对象： %p \n NSObject根元类对象： %p \n ", obj, objCls, objMetaCls, objRootMetaCls);
Class pMetaCls = object_getClass([SJPerson class]);
Class pMetaSuperCls = class_getSuperclass(pMetaCls);
NSLog(@"SJPerson元类对象： %p \n SJPerson元类对象的父类： %p \n ", pMetaCls, pMetaSuperCls);
Class sMetaCls = object_getClass([SJStudent class]);
Class sMetaSuperCls = class_getSuperclass(sMetaCls);
NSLog(@"SJStudent元类对象： %p \n SJStudent元类对象的父类： %p \n ", sMetaCls, sMetaSuperCls);
Class rootMetaSuperCls = class_getSuperclass(objRootMetaCls);
NSLog(@"根元类对象的父类： %p", rootMetaSuperCls);
打印结果：
NSObject实例对象： 0x101a30050
NSObject类对象： 0x10036a140
NSObject元类对象： 0x10036a0f0
NSObject根元类对象： 0x10036a0f0
SJPerson元类对象： 0x100008530
SJPerson元类对象的父类： 0x10036a0f0
SJStudent元类对象： 0x100008580
SJStudent元类对象的父类： 0x100008530
根元类对象的父类： 0x10036a140
根据结果，我们看到SJStudent元类的父类就是SJPerson元类，SJPerson元类的父类就是NSObject的元类，NSObject元类的父类就是NSObject类对象。
isa的流程图与继承流程图如下：
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类的内存数据
OC的类在C++中是objc_class类型，我们在objc源码中找objc_class的结构。
我们找到3个结构
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;
因为我们当前环境是OBJC2，所以这个标明OBJC2_UNAVAILABLE，我们就可以忽略不计。
还有两个分别在objc-runtime-new.h和objc-runtime-old.h文件中，我们想都不想直接看new。里面的结构省略方法后：
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
}
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
也就是说，类结构里面有isa指针，superclass，cache，bits。isa我们已经分析过了，superclass就是父类，cache我们以后再说，我们接下来研究下bits。
在此之前我们验证下superclass:
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SJPerson的父类是NSObject，没有问题。要研究
bits，首先我们需要知道bits在内存存储的位置，isa占8字节，superclass占8字节没什么好说的，那么cache占多少字节呢，我们点进去看下cache_t的结构：
struct cache_t {
private:
explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask;
union {
struct {
explicit_atomic<mask_t> _maybeMask;
#if __LP64__
uint16_t _flags;
#endif
uint16_t _occupied;
};
explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache;
};
}
再看下explicit_atomic实现
template <typename T>
struct explicit_atomic : public std::atomic<T> {
explicit explicit_atomic(T initial) noexcept : std::atomic<T>(std::move(initial)) {}
operator T() const = delete;
T load(std::memory_order order) const noexcept {
return std::atomic<T>::load(order);
}
void store(T desired, std::memory_order order) noexcept {
std::atomic<T>::store(desired, order);
}
// Convert a normal pointer to an atomic pointer. This is a
// somewhat dodgy thing to do, but if the atomic type is lock
// free and the same size as the non-atomic type, we know the
// representations are the same, and the compiler generates good
// code.
static explicit_atomic<T> *from_pointer(T *ptr) {
static_assert(sizeof(explicit_atomic<T> *) == sizeof(T *),
"Size of atomic must match size of original");
explicit_atomic<T> *atomic = (explicit_atomic<T> *)ptr;
ASSERT(atomic->is_lock_free());
return atomic;
}
};
T泛型，这个变量的大小取决于泛型T的大小。uintptr_t指针占8字节，第二个变量共用体，mask_t：typedef uint32_t mask_t;，占4字节，uint16_t占2字节，结构体占8字节，_originalPreoptCache是个*也就是指针类型也是8字节，所以，cache_t一共占16字节。bits从32字节开始。
再看下怎么获取bits里面数据，在源码中可以找到data方法。
class_rw_t *data() const {
return bits.data();
}
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里面唯一能根据单词猜意思的只有
firstSubclass，第一个子类，但是SJPerson有一个子类SJStudent啊，为什么这里面数据是nil呢？因为OC中的类是懒加载的，如果没有用到，是不会加载这个类，那我们代码改一下：
SJStudent *s = [SJStudent alloc];
SJPerson *p = [SJPerson alloc];
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这时候我们就看到
firstSubclass里面有值了，没毛病。但是我又想，如果SJPerson还有别的子类，这个值又会是什么呢？新建一个
SJHandsomeMan继承自SJPerson。
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两次结果不一样，也就是说firstSubclass的值是该类子类中最后初始化的那个类。
类的属性
目前能看懂看完了，比如我们想看类里面的属性怎么办呢？答：从class_rw_t结构里面找成员变量或者方法。
const property_array_t properties() const {
auto v = get_ro_or_rwe();
if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
return v.get<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext)->properties;
} else {
return property_array_t{v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext)->baseProperties};
}
}
成员变量没找到，方法倒是看上去有一个，那我们接着调试。
class property_array_t :
public list_array_tt<property_t, property_list_t, RawPtr>
{
typedef list_array_tt<property_t, property_list_t, RawPtr> Super;
public:
property_array_t() : Super() { }
property_array_t(property_list_t *l) : Super(l) { }
};
template <typename Element, typename List, template<typename> class Ptr>
class list_array_tt {
struct array_t {
uint32_t count;
Ptr<List> lists[0];
static size_t byteSize(uint32_t count) {
return sizeof(array_t) + count*sizeof(lists[0]);
}
size_t byteSize() {
return byteSize(count);
}
};
}
struct property_list_t : entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> {
};
template <typename Element, typename List, uint32_t FlagMask, typename PointerModifier = PointerModifierNop>
struct entsize_list_tt {
uint32_t entsizeAndFlags;
uint32_t count;
uint32_t entsize() const {
return entsizeAndFlags & ~FlagMask;
}
uint32_t flags() const {
return entsizeAndFlags & FlagMask;
}
Element& getOrEnd(uint32_t i) const {
ASSERT(i <= count);
return *PointerModifier::modify(*this, (Element *)((uint8_t *)this + sizeof(*this) + i*entsize()));
}
Element& get(uint32_t i) const {
ASSERT(i < count);
return getOrEnd(i);
}
size_t byteSize() const {
return byteSize(entsize(), count);
}
static size_t byteSize(uint32_t entsize, uint32_t count) {
return sizeof(entsize_list_tt) + count*entsize;
}
struct iterator;
}
分析下property_array_t结构：是个数组，数组里面每个元素都是property_list_t类型，property_list_t也是个数组，因为entsize_list_tt里面有迭代器iterator，property_list_t数组里面的元素是property_t。大致结构：property_array_t = [property_list_t[property_t, property_t], property_list_t[property_t]]。
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再看下
property_t的结构：
struct property_t {
const char *name;
const char *attributes;
};
类的方法
属性我们看完了，再看下方法，在SJPerson里面添加两个方法，一个实例方法，一个类方法。
@interface SJPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
- (void)sayNB;
+ (void)say666;
@end
找方法同样我们看到class_rw_t里面有个methods方法，不出意外应该能拿到方法。
const method_array_t methods() const {
auto v = get_ro_or_rwe();
if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
return v.get<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext)->methods;
} else {
return method_array_t{v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext)->baseMethods()};
}
}
method_array_t的结构和property_array_t一样，都是二维数组，只不过最里面的对象换成了method_t。
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我们看到同样的操作，怎么最后打印不出来数据，是不是我们操作不对？这就要说下
property_t里面有两个成员，打印的时候直接把两个成员打印出来，我们再看下method_t的结构里面没有这种成员，但是里面有一个结构体：
struct big {
SEL name;
const char *types;
MethodListIMP imp;
};
这里面成员能看到方法所有内容，是不是我们打印这个big就行呢？测试一下：
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非常完美方法都打印出来了，但是自己观察，一共就3个方法，
say666没有打印出来，为什么呢？对象方法存在类结构中，那猜测类方法会不会放在元类里面呢？我们来验证下：
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image
我们看到
say666的确在元类里面，也就是类方法存储在元类。这也就是为什么iOS要设计元类的原因，因为OC中有实例方法和类方法，也就是所谓的减号方法和加号方法，但是在OC底层，是没有这个含义的，也就是所有方法都转化成同名函数，如果没有元类，我们写两个方法
+(void)say666和-(void)say666，这两个方法都存储在类里面，那我们执行方法的时候，根据函数名，就无法确定到底是执行实例方法还是类方法了，所以设计元类把两种方法分离开。
类的成员变量
class_ro_t演变
在WWDC视频中，我们可以详细看到class_ro_t演变优化过程，也知道成员变量存在class_ro_t中。在SJPerson中添加一个成员变量hobby。
@interface SJPerson : NSObject
{
NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
- (void)sayNB;
+ (void)say666;
@end
class_ro_t怎么找呢，同样在源码中找方法
const class_ro_t *ro() const {
auto v = get_ro_or_rwe();
if (slowpath(v.is<class_rw_ext_t *>())) {
return v.get<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext)->ro;
}
return v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext);
}
调试验证：
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image
TypeEncoding
上面打印方法里面types一堆符号就是iOS中TypeEncoding编码，每个符号的含义可以参照# Type Encodings
。
在解释下方法中types含义：
第一个字母：返回值类型。第一个数字：这个方法所有参数占内存大小。
第二个字母：第一个参数的类型。第二个数字：第一个参数从第几号内存开始。
第三个字母：第二个参数的类型。第三个数字：第二个参数从第几号内存开始。
.......以此类推。
总结：类本质就是结构体，里面有isa，superclass，cache，bits。isa利用位域存着类相关信息，superclass存着父类，cache存着方法缓存，bits里面存着属性列表、实例变量列表、方法列表、协议列表等。
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