iOS原理探索04--类结构的分析

作者: HardCabbage | 来源:发表于2020-09-21 10:17 被阅读0次

类的分析

准备工作，我们先创建两个类继承NSObject的LGPerson和继承LGPerson的LGStudent：

//.h文件
@interface LGPerson : NSObject
{
    NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *lg_name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end

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

在main.m文件中如下设置

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        LGPerson *person = [LGPerson alloc];
        LGStudent *student = [LGStudent alloc];
        NSLog(@"Hello, World! %@ - %@",person,student);
    }
    return 0;
}

类结构的分析
在mian.m文件LGStudent *student = [LGStudent alloc];处打上断点运行一下项目工程，使用lldb进行调试

lldb调试过程及输出结果
- 首先我们可以根据lldb命令得到person的内存分布，我们知道0x001d8001000022dd是person的内存指针，接着使用这个指针&0x00007ffffffffff8ULL，可以获取类的相关信息$3 = 0x00000001000022d8。
- 接着po 0x00000001000022d8来打印类的信息,我们发现结果为LGPerson；
- x/4gx 0x00000001000022d8,来打印LGPerson的内存情况，我们同样的可以拿到类的isa指针地址0x00000001000022b0;
- 下一步，p/x 0x00000001000022b0 & 0x00007ffffffffff8ULL,我们来获取类的信息，我们得到$5 = 0x00000001000022b0类的指针地址；
- 下一步：通过po 0x00000001000022b0，发现结果还是LGPerson，这是为什么呢？这里先简单说一下这个LGPerson是元类；下面小节在详细说明元类的问题。

二、元类，主要有以下几点说明：

我们都知道 对象的isa是指向类，类其实也是一个对象，可以称为类对象，其isa的位域指向苹果定义的元类。
元类是系统设置的，其定义和创建都是由编译器完成，在这个过程中，类的归属来自于`元类。
元类是类对象的类，每个类都有一个独一无二的元类用来存储类方法的相关信息。
元类本身是没有名称的，由于与类相关联，所以使用了同类名一样的名称。

总结：由上图的打印结果我们可以得出如下结论：对象 --> 类 --> 元类 --> NSobject, NSObject 指向自身。

三、isa走位 & 继承关系

根据上面的探索以及各种验证，对象、类、元类、根元类的关系如下图所示

isa走位 & 继承关系流程图
isa的走向有以下几点说明：

实例对象（Instance of Subclass）的 isa 指向 类（class）
类对象（class） isa指向元类（Meta class）
元类（Meta class）的isa指向根元类（Root metal class）
根元类（Root metal class）的isa 指向它自己本身，形成闭环，这里的根元类就是NSObject。

superclass（即继承关系）的走向也有以下几点说明：

类（subClass） 继承自 父类（superClass）
父类（superClass） 继承自 根类（RootClass），此时的根类是指NSObject。
根类继承自 nil，所以根类即NSObject可以理解为万物起源，即无中生有。
子类的元类（metal SubClass） 继承自 父类的元类（metal SuperClass）。
父类的元类（metal SuperClass） 继承自根元类（Root metal Class。
根元类（Root metal Class） 继承于根类（Root class），此时的根类是指NSObject。

举例说明

2251862-48a5603729fdf0a9.png

isa 走位链

student的isa走位链：student(子类对象) --> LGStudent （子类）--> LGStudent（子元类） --> NSObject（根元类） --> NSObject（跟根元类，即自己）
-person的isa走位图：person(父类对象) --> CJLPerson （父类）--> CJLPerson（父元类） --> NSObject（根元类） --> NSObject（跟根元类，即自己）

superclass走位链

类的继承关系链：LGStudent（子类） --> CJLPerson(父类) --> NSObject（根类）--> nil
元类的继承关系链：LGStudent（子元类） --> CJLPerson(父元类) --> NSObject（根元类）--> NSObject（根类）--> nil

四、objc_class & objc_object

在分析objc_class & objc_object我们先引入一个问题，为什么类和对象都有isa属性呢？
我们先将main.m文件编译为main.cpp来分析一下这个问题。我们根据clang编译的c++源码可以看出NSObject的底层编译是NSObject_IMPL结构体，并且对象含有Class isa，代码如下

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

typedef struct objc_class *Class;


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

下面我们通过在objc4源码中搜索来探索objc_class & objc_object

objc_class在源码中搜索到两种相关源码
第一种已经不再使用了，并且和我们使用Clang编译后的一样

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

} OBJC2_UNAVAILABLE;

另外一种，我们选择主要的代码进行展示如下

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

    class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }
};

我们发现objc_class继承自objc_object，下面我们再看看objc_object源码，

objc_object源码

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
};

总结：

我们根据源码发现objc_object结构体定义了isa作为它的一个属性，objc_class继承自objc_object，所以objc_class也拥有了isa属性。
mian.cpp底层编译文件中，NSObject中的isa在底层是由Class 定义的，其中class的底层编码来自 objc_class类型，所以NSObject也拥有了isa属性。
NSObject是一个类，用它初始化一个实例对象objc，objc 满足 objc_object 的特性，所以对象都有一个 isa，isa表示指向，来自于当前的objc_object。
所以所有的对象都是以 objc_object为模板继承过来的。
因为对象是来自NSObject（OC） ，但是真正到底层的是一个objc_object（C/C++）的结构体类型,所以 objc_object 与 对象的关系 是继承关系。

objc_class、objc_object、isa、object、NSObject等的整体的关系，如下图所示

2251862-7b4c0996f92eb166.png

类的方法

我们根据下面类的底层实现源码来探索一下，类的实例方法存储在哪里，来具体探索一下类的结构是怎样的？

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    

 // ......部分代码不在展示

}

在探索之前我们需要补充一下知识，关于内存偏移，我们先使用实例说明一下这个内存偏移；
【普通指针】

        //普通指针
        int a = 10; //变量
        int b = 10;
        NSLog(@"%d -- %p", a, &a);
        NSLog(@"%d -- %p", b, &b);

输出的结果

截屏2020-09-21 09.37.28.png

我们可以从控制台看出，a和b两个指针指向了同一片的存储着10的空间。

a、b都指向10，但是a、b的地址``不一样，这是一种拷贝，属于值拷贝，也称为浅拷贝
a,b的地址之间相差4个字节，这取决于a、b的类型
【对象指针】

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

输出结果

截屏2020-09-21 09.42.12.png

p1、p2 是指针，p1是指向 [LGPerson alloc]创建的空间地址，即内存地址，p2 同理
&p1、&p2是指向 p1、p2对象指针的地址，这个指针就是二级指针
【数组指针】

//数组指针
    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);

输出结果

截屏2020-09-21 09.45.06.png

&c和 &c[0] 都是取这个数组的首地址，所以``数组名等同于首地址；
&c 与 &c[1] 相差4个字节，地址之间相差的字节数，主要取决于存储的数据类型可以通过首地址+偏移量取出数组中的其他元素，其中偏移量是数组的下标，内存中首地址实际移动的字节数 等于偏移量 * 数据类型字节数`；

计算类结构的内存大小

通过上面类结构的源码我们来计算一下类的大小
-isa属性：继承自objc_object的isa，占 8字节；

superclass属性：Class类型，Class是由objc_object定义的，是一个指针，占8字节
cache属性：是cache_t结构体类型，我们应该按照计算结构体内存大小的规则来计算，而结构体指针才是8字节；下面代码可以计算出cache占16字节

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;// 是一个结构体指针类型，占8字节
    explicit_atomic<mask_t> _mask;//是mask_t 类型，而 mask_t 是 unsigned int 的别名，占4字节
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;
//省略部分代码
#if __LP64__
    uint16_t _flags; //是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节
#endif
    uint16_t _occupied; //是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节
//省略部分代码
}

bits属性：只有首地址经过上面3个属性的内存大小总和的平移，才能获取到bits`；

类结构中方法分析流程

(lldb) p/x LGPerson.class
(Class) $0 = 0x00000001000022f0 LGPerson
(lldb) //平移32个字节
error: '//平移32个字节' is not a valid command.
(lldb) p/x 0x00000001000022f0 + 32
(long) $1 = 0x0000000100002310
(lldb) 获取bit 
error: '获取bit' is not a valid command.
(lldb) p (class_data_bits_t *)0x0000000100002310
(class_data_bits_t *) $2 = 0x0000000100002310
(lldb) 通过结构体的data()来获取bits
error: '通过结构体的data()来获取bits' is not a valid command.
(lldb) p $2 -> data()
(class_rw_t *) $3 = 0x0000000102018a20
(lldb) 获取methods(）
error: '获取methods(）' is not a valid command.
(lldb) p $3.methods()
(const method_array_t) $4 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002180
      arrayAndFlag = 4294975872
    }
  }
}
  Fix-it applied, fixed expression was: 
    $3->methods()
(lldb) 获取list
error: '获取list' is not a valid command.
(lldb) p $4.list
(method_list_t *const) $5 = 0x0000000100002180
(lldb) 打印list内容
error: '打印list内容' is not a valid command.
(lldb) p *$5
(method_list_t) $6 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
    entsizeAndFlags = 26
    count = 4
    first = {
      name = "sayHello"
      types = 0x0000000100000f85 "v16@0:8"
      imp = 0x0000000100000d80 (KCObjc`-[LGPerson sayHello])
    }
  }
}
(lldb)

截屏2020-09-18 17.49.44.png

关于类的属性

(lldb) p $3.properties()
(const property_array_t) $7 = {
  list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002230
      arrayAndFlag = 4294976048
    }
  }
}
  Fix-it applied, fixed expression was: 
    $3->properties()
(lldb) p $7.list
(property_list_t *const) $8 = 0x0000000100002230
(lldb) p *$8
(property_list_t) $9 = {
  entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> = {
    entsizeAndFlags = 16
    count = 1
    first = (name = "lg_name", attributes = "T@\"NSString\",C,N,V_lg_name")
  }
}

总结：类的实例方法和类的属性都存在bits中，我们发现类的类方法和类的成员变量却没有打印，我们可以思考一下，它们存在哪里呢？类的类方法会不会存在元类里面呢？下一节我们接着探索一下这个内容。

iOS原理探索04--类结构的分析

类的分析

二、元类，主要有以下几点说明：

三、isa走位 & 继承关系

四、objc_class & objc_object

总结：

类的方法

计算类结构的内存大小

类结构中方法分析流程

相关文章

网友评论

延伸阅读

深度阅读

栏目导航

热点阅读