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iOS底层原理之`OC语法`(一.oc对象的本质)

iOS底层原理之`OC语法`(一.oc对象的本质)

作者: Coder_Cat | 来源:发表于2018-08-12 19:00 被阅读20次

    1.oc对象的本质

    • 我们平时编写的Objective-C代码,底层实现其实都是C\C++代码。


      编译过程

    所以Objective-C的面向对象都是基于C\C++的数据结构实现的。如果我们想将研究其底层就要先转换为C/C++文件。

    • 将Objective-C代码转换为C\C++代码
      1. 打开终端,cd到你所要转成C/C++语言文件的目录里;
      2. ls/ls-l 列举查看一下文件夹下是否有对应的OC文件;
      3. clang -rewrite-objc OC源文件 -o 输出的CPP文件(编译器重写oc文件并输出c++文件),如下:
    hejundeMBP:~ hejun$ cd /Users/hejun/Desktop/OC本质/OC本质 
    hejundeMBP:OC本质 hejun$ ls
    main.m
    hejundeMBP:OC本质 hejun$ clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp
    

    这样就会在该文件夹下生成一个c++文件,但是这样生成的文件太大,因为编译器转化代码要看什么平台,没有直达平台架构所以生成文件包含了所有的架构下的代码,所以一般不这么转化。
    xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc OC源文件 -o 输出的CPP文件(Xcode指定是iphoneos然后编译器告诉是arm64架构下重写oc文件并输出c++文件)如下:

    hejundeMBP:~ hejun$ cd /Users/hejun/Desktop/OC本质/OC本质 
    hejundeMBP:OC本质 hejun$ ls
    hejundeMBP:OC本质 hejun$ xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main_arm64.cpp
    hejundeMBP:OC本质 hejun$ 
    

    这样生成的文件就小很多了


    生成C++文件

    如果需要链接其他框架,使用-framework参数。(比如-framework UIKit)。

    为何不在不生成c文件而生成c++文件,因为生存的c++文件里面包含c,并且c++是支持c的。

    不同平台支持的代码肯定是不一样,模拟器(i386)、32bit(armv7)、64bit(arm64)。

    • Objective-C的对象、类主要是基于C\C++的什么数据结构实现的?

    进入NSObject头文件可以看到,里面有一个Class类型的isa成员变量,点击进Class可以发现其是一个指向结构体的指针,在main函数中创建一个NSObject转成C++代码里面会生存一个NSObject_IMPL(NSObject_implementation即NSObject的底层实现)结构体。

    struct NSObject_IMPL {
        Class isa;
    };。
    
    底层结构
    • 自定义一个Student类继承NSObject,添加_no,_age属性,分析一下结构和所占内存打小。示例如下:
    #import <Foundation/Foundation.h>
    #import <objc/runtime.h>
    #import "malloc/malloc.h"
    
    struct Student_IMPL {
        Class isa;
        int _no;
        int _age;
    };
    @interface Student : NSObject{
    @public
        int _no;
        int _age;
    }
    @end
    @implementation Student
    @end
    int main(int argc, const char * argv[]) {
        @autoreleasepool {
            Student *stu = [[Student alloc] init];
            stu->_no = 10;
            stu->_age = 10;
            //获得类的实例对象大小
            NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([Student class]));
            //获得stu指针所指向的内存大小
            NSLog(@"%zd", malloc_size((__bridge const void *)stu));
            //因为Student_IMPL结构体和Student结构一样,将stu的对象强转为指向Student_IMPL结构体的指针
            struct Student_IMPL *stuImpl = (__bridge struct Student_IMPL *)stu;
            //通过结构体指针访问结构体变量
            NSLog(@"no is %d, age is %d", stuImpl->_no, stuImpl->_age);
        }
        return 0;
    }
    
    

    打断点分析内存(方法:Debug -> Debug Workfllow -> View Memory (Shift + Command + M)然后将对象指针地址输入Address输入框):

    分析内存

    结果可见:内存占了16个字节,前面8为是是isa指针所占内存,后8为中的两个OA则是no和age的值为10(注意Mac是高位向地位寻址。
    打印结果如下:

    打印内存.png

    结果可见确实是占了16个字节(8+4+4),但是如果打印NSObjectclass_getInstanceSize获得的是8位,malloc_size是16位,因为前者是获得类的实例对象大小只有一个指针所以是8位,后者是获得指针指向的内存大小,苹果归档如何小于16位则是16位,所以最少是16位(具体可以去看源码,这里不再一一列举)。
    具体分析示意图如下:

    底层实现.png
    底层实现.png

    所以Objective-C的对象、类主要是基于C\C++的结构体实现的。

    2.instance、class、meta-class.

    • OC对象的分类:instance对象(实例对象)、class对象(类对象)、meta-class对象(元类对象)。

    • instance对象就是通过类alloc出来的对象,每次调用alloc都会产生新的instance对象。
    • instance对象在内存中存储的信息包括:
    1. qq isa指针、
    2. 其他成员变量。
    • 同一个类alloc出两个实例对象是两个不同的对象分别占用两块内存:
      instance.png

    • 每个类在内存中有且只有一个class对象
    • class对象在内存中存储的信息主要包括:
      1. isa指针
      2. superclass指针
      3. 类的属性信息(@property)、类的对象方法信息(instance method)
    1. 类的协议信息(protocol)、类的成员变量信息(ivar)


      meta-class.png

    • objectMetaClass是NSObject的meta-class对象(元类对象),每个类在内存中有且只有一个meta-class对象

    • 获取元类方法Class object_getClass(id obj)传入类名时获取元类,runtimeApi。

    • meta-class对象和class对象的内存结构是一样的,但是用途不一样,在内存中存储的信息主要包括:

      1. isa指针
      2. superclass指针
      3. 类的类方法信息(class method)


        metaclass.png
    • 注意:runtime有两个获取类的方法Class objc_getClass(const char *aClassName)Class object_getClass(id obj),前者传入字符串类名返回返回对应的类对象;后者传入的obj可能是instance对象、class对象、meta-class对象,如果是instance对象,返回class对象、如果是class对象,返回meta-class对象,如果是meta-class对象,返回NSObject(基类)的meta-class对象。

    • 判断是否元类方函数:BOOL class_isMetaClass(Class cls)

    3.isa、superclass.

    • isa

      1. instanceisa指向class,当调用对象方法时,通过instanceisa找到class,最后找到对象方法的实现进行调用。
      2. classisa指向meta-class,当调用类方法时,通过classisa找到meta-class,最后找到类方法的实现进行调用
        isa.png
    • superclass:当子类的instance对象要调用父类的对象方法时,会先通过isa找到子类的class,然后通过superclass找到父类的class,最后找到对象方法的实现进行调用。

      superclass.png
    • meta-class对象的superclass指针:当子类的class要调用父类的类方法时,会先通过isa找到子类的meta-class,然后通过superclass找到父类的meta-class,最后找到类方法的实现进行调用(注意如果直到基类的meta-class也找不该方法就会去基类中去找同名的对象方法,找到了就会调用,找不到就报该类找不到此方法的错误

      meta-class的superclass.png
    • isauperclass总结


    • instance的isa指向class
    • class的isa指向meta-class
    • meta-class的isa指向基类的meta-class
    • class的superclass指向父类的class
    • 如果没有父类,superclass指针为nil

    • meta-class的superclass指向父类的meta-class
    • 基类的meta-class的superclass指向基类的class

    • instance调用对象方法的轨迹

    • isa找到class,方法不存在,就通过superclass找父类class

    • class调用类方法的轨迹

    • isa找meta-class,方法不存在,就通过superclass找父类meta-class,如果找到基类的meta-class还没有找到就去找基类的class,示意图如下:


      oc方法调用流程.png
    • class、meta-class对象的本质结构都是struct objc_class

      oc类对象的本质.png

    4.面试题

    1.一个NSObject对象占用多少内存?

    系统分配了16个字节给NSObject对象(通过malloc_size 函数获得)
    但NSObject对象内部只使用了8个字节的空间(64bit环境下,可以通过class_getInstanceSize函数获得)

    2.对象的isa指针指向哪里?

    instance对象的isa指向class对象
    class对象的isa指向meta-class对象
    meta-class对象的isa指向基类的meta-class对象

    3.OC的类信息存放在哪里?

    成员变量的具体值,存放在instance对象
    对象方法、属性、成员变量、协议信息,存放在class对象中
    类方法,存放在meta-class对象中

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