iOS底层原理总结 - 探寻Class的本质
对小码哥底层班视频学习的总结与记录。
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我们知道不管是类对象还是元类对象，类型都是Class，class和mete-class的底层都是objc_class结构体的指针，内存中就是结构体；
struct objc-class图.png
Class objectClass = [NSObject class];
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
- 点击Class来到内部，我们可以发现
typedef struct objc_class *Class;
- Class对象其实是一个指向objc_class结构体的指针。因此我们可以说类对象或元类对象在内存中其实就是objc_class结构体。
- 我们来到objc_class内部，可以看到这段在底层原理中经常出现的代码。
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 *` */
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这部分代码相信在文章中很常见，但是OBJC2_UNAVAILABLE;说明这些代码已经不在使用了。那么目前objc_class的结构是什么样的呢？我们通过objc源码中去查找objc_class结构体的内容。
objc_object结构体部分信息.png
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我们发现这个结构体继承 objc_object 并且结构体内有一些函数，因为这是c++结构体，在c上做了扩展，因此结构体中可以包含函数。我们来到objc_object内，截取部分代码
objc_object内部分代码.png
- 我们发现这个结构体继承 objc_object 并且结构体内有一些函数，因为这是c++结构体，在c上做了扩展，因此结构体中可以包含函数。我们来到objc_object内，截取部分代码
- 我们发现objc_object中有一个isa指针，那么objc_class继承objc_object，也就同样拥有一个isa指针
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那么我们之前了解到的，类中存储的类的成员变量信息，实例方法，属性名等这些信息在哪里呢。我们来到class_rw_t中，截取部分代码，我们发现class_rw_t中存储着方法列表，属性列表，协议列表等内容。
class_rw_t部分代码.png
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而class_rw_t是通过bits调用data方法得来的，我们来到data方法内部实现。我们可以看到，data函数内部仅仅对bits进行&FAST_DATA_MASK操作
objc_class代码内容.png
data方法内部实现.png
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而成员变量信息则是存储在class_ro_t内部中的，我们来到class_ro_t内查看。
class_ro_t内部代码.png
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最后总结通过一张图进行总结
窥探struct objc_class的结构.png
如何证明上述内容是正确的呢？
- 用代码求证系统封闭结构体内部信息时，我们直接获取可能拿不到，这时候我们一般采用自定义一个具有类似成员变量的结构体，当我们强制转化系统结构体为自定义结构体的时候，就能一一对应的赋值，此时，我们可以拿到自定义结构体内部的消息。
下面是仿照系统objc_class结构体，自定义的结构体，当然了这是小码哥抽离好的，直接用可以，创建一个MJClassInfo.h文件
#import <Foundation/Foundation.h>
#ifndef MJClassInfo_h
#define MJClassInfo_h
# if __arm64__
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
# define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
# endif
#if __LP64__
typedef uint32_t mask_t;
#else
typedef uint16_t mask_t;
#endif
typedef uintptr_t cache_key_t;
struct bucket_t {
cache_key_t _key;
IMP _imp;
};
struct cache_t {
bucket_t *_buckets;
mask_t _mask;
mask_t _occupied;
};
struct entsize_list_tt {
uint32_t entsizeAndFlags;
uint32_t count;
};
struct method_t {
SEL name;
const char *types;
IMP imp;
};
struct method_list_t : entsize_list_tt {
method_t first;
};
struct ivar_t {
int32_t *offset;
const char *name;
const char *type;
uint32_t alignment_raw;
uint32_t size;
};
struct ivar_list_t : entsize_list_tt {
ivar_t first;
};
struct property_t {
const char *name;
const char *attributes;
};
struct property_list_t : entsize_list_tt {
property_t first;
};
struct chained_property_list {
chained_property_list *next;
uint32_t count;
property_t list[0];
};
typedef uintptr_t protocol_ref_t;
struct protocol_list_t {
uintptr_t count;
protocol_ref_t list[0];
};
struct class_ro_t {
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize; // instance对象占用的内存空间
#ifdef __LP64__
uint32_t reserved;
#endif
const uint8_t * ivarLayout;
const char * name; // 类名
method_list_t * baseMethodList;
protocol_list_t * baseProtocols;
const ivar_list_t * ivars; // 成员变量列表
const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
};
struct class_rw_t {
uint32_t flags;
uint32_t version;
const class_ro_t *ro;
method_list_t * methods; // 方法列表
property_list_t *properties; // 属性列表
const protocol_list_t * protocols; // 协议列表
Class firstSubclass;
Class nextSiblingClass;
char *demangledName;
};
#define FAST_DATA_MASK 0x00007ffffffffff8UL
struct class_data_bits_t {
uintptr_t bits;
public:
class_rw_t* data() {
return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}
};
/* OC对象 */
struct mj_objc_object {
void *isa;
};
/* 类对象 */
struct mj_objc_class : mj_objc_object {
Class superclass;
cache_t cache;
class_data_bits_t bits;
public:
class_rw_t* data() {
return bits.data();
}
mj_objc_class* metaClass() {
return (mj_objc_class *)((long long)isa & ISA_MASK);
}
};
#endif /* MJClassInfo_h */
- 我们需要将main.m 文件后缀修改为main.mm（告诉编译器兼容oc代码跟c++代码）.
- 我们在main.mm文件中写好要强转的代码：
// objective-c++
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
#import "MJClassInfo.h"
// MJPerson
@interface MJPerson : NSObject <NSCopying>
{
@public
int _age;
}
@property (nonatomic, assign) int no;
- (void)personInstanceMethod;
+ (void)personClassMethod;
@end
@implementation MJPerson
- (void)test
{
}
- (void)personInstanceMethod
{
}
+ (void)personClassMethod
{
}
- (id)copyWithZone:(NSZone *)zone
{
return nil;
}
@end
// MJStudent
@interface MJStudent : MJPerson <NSCoding>
{
@public
int _weight;
}
@property (nonatomic, assign) int height;
- (void)studentInstanceMethod;
+ (void)studentClassMethod;
@end
@implementation MJStudent
- (void)test
{
}
- (void)studentInstanceMethod
{
}
+ (void)studentClassMethod
{
}
- (id)initWithCoder:(NSCoder *)aDecoder
{
return nil;
}
- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)aCoder
{
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
MJStudent *stu = [[MJStudent alloc] init];
stu->_weight = 10;
Class objectClass = [NSObject class];
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
mj_objc_class *studentClass = (__bridge mj_objc_class *)([MJStudent class]);
mj_objc_class *personClass = (__bridge mj_objc_class *)([MJPerson class]);
class_rw_t *studentClassData = studentClass->data();
class_rw_t *personClassData = personClass->data();
class_rw_t *studentMetaClassData = studentClass->metaClass()->data();
class_rw_t *personMetaClassData = personClass->metaClass()->data();
NSLog(@"1111");
}
return 0;
}
- 然后我们通过打断点依次分析如下：
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至此，我们再次拿出那张经典的图，挨个分析图中isa指针和superclass指针的指向
isa、superclass指向图.png
- 然后我们通过打断点依次分析如下：
- 至此，我们再次拿出那张经典的图，挨个分析图中isa指针和superclass指针的指向
instance对象
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首先我们来看instance对象，我们通过上一篇文章知道，instance对象中存储着isa指针和其他成员变量，并且instance对象的isa指针是指向其类对象地址的。我们首先分析上述代码中我们创建的object，person，student三个instance对象与其相对应的类对象objectClass，personClass，studentClass。
instance对象分析.png
class对象
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接着我们来看class对象，同样通过上一篇文章，我们明确class对象中存储着isa指针，superclass指针，以及类的属性信息，类的成员变量信息，类的对象方法，和类的协议信息，而通过上面对object源码的分析，我们知道这些信息存储在class对象的class_rw_t中，我们通过强制转化来窥探其中的内容。如下图
personClassData内结构.png
- 上图中我们通过模拟对person类对象调用.data函数，即对bits进行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)运算，并转化为class_rw_t。即上图中的personClassData。其中我们发现成员变量信息，对象方法，属性等信息只显示first第一个，如果想要拿到更多的需要通过代码将指针后移获取。而上图中的instaceSize = 16也同person对象中isa指针8个字节+_age4个字节+_height4个字节相对应起来。这里不在展开对objectClassData及studentClassData进行分析，基本内容同personClassData相同。
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那么类对象中的isa指针和superclass指针的指向是否如那张经典的图示呢？我们来验证一下。
类对象的isa指针和superclass指针指向.png
- 从上图中我们可以发现instance对象中确实存储了isa指针和其成员变量，同时将instance对象的isa指针经过&运算之后计算出的地址确实是其相应类对象的内存地址。由此我们证明isa，superclass指向图中的1，2，3号线。
class对象
- 接着我们来看class对象，同样通过上一篇文章，我们明确class对象中存储着isa指针，superclass指针，以及类的属性信息，类的成员变量信息，类的对象方法，和类的协议信息，而通过上面对object源码的分析，我们知道这些信息存储在class对象的class_rw_t中，我们通过强制转化来窥探其中的内容。如下图
- 上图中我们通过模拟对person类对象调用.data函数，即对bits进行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)运算，并转化为class_rw_t。即上图中的personClassData。其中我们发现成员变量信息，对象方法，属性等信息只显示first第一个，如果想要拿到更多的需要通过代码将指针后移获取。而上图中的instaceSize = 16也同person对象中isa指针8个字节+_age4个字节+_height4个字节相对应起来。这里不在展开对objectClassData及studentClassData进行分析，基本内容同personClassData相同。
- 那么类对象中的isa指针和superclass指针的指向是否如那张经典的图示呢？我们来验证一下。
- 通过上图中的内存地址的分析，由此我们证明isa，superclass指向图中，isa指针的4，5，6号线，以及superclass指针的10，11，12号线。
meta-class对象
- 最后我们来看meta-class元类对象，上文提到meta-class中存储着isa指针，superclass指针，以及类的类方法信息。同时我们知道meta-class元类对象与class类对象，具有相同的结构，只不过存储的信息不同，并且元类对象的isa指针指向基类的元类对象，基类的元类对象的isa指针指向自己。元类对象的superclass指针指向其父类的元类对象，基类的元类对象的superclass指针指向其类对象。
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与class对象相同，我们同样通过模拟对person元类对象调用.data函数，即对bits进行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)运算，并转化为class_rw_t
personMetaClassData内结构.png
- 首先我们可以看到结构同personClassData相同，并且成员变量及属性列表等信息为空，而methods中存储着类方法personClassMethod。
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接着来验证isa及superclass指针的指向是否同上图序号标注一样。
meta-class的isa指针指向.png
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上图中通过地址证明meta-class的isa指向基类的meta-class，基类的isa指针也指向自己。
meta-class的superclass指针指向.png
- 上图中通过地址证明meta-class的superclass指向父类的meta-class，基类的meta-class的superclass指向基类的class类。
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