iOS 类原理探索：类的结构分析

OC 类原理探索 系列文章

1. OC 类原理探索：类的结构分析
2. OC 类原理探索：类结构分析补充
3. OC 类原理探索：属性的底层原理

前言

上一篇 OC 对象原理探索（三）：对象的本质 & isa，介绍了isa的结构，关联到了类，这篇文章主要对类的结构进行分析。

一、isa 分析到元类

先通过lldb调试进行一波探索：

image.png

如上图：通过isa & isa的掩码，最终得到了SSLPerson，但是类中的isa & isa的掩码也得到了SSLPerson这是为什么呢？

是不是内存中存了很多个SSLPerson类对象呢，下面我们来验证一下：

Class class1 = [SSLPerson class];
Class class2 = [SSLPerson alloc].class;
Class class3 = object_getClass([SSLPerson alloc]);
Class class4 = [SSLPerson alloc].class;
NSLog(@"\n%p-\n%p-\n%p-\n%p-",class1,class2,class3,class4);

打印结果：
0x1000081f0-
0x1000081f0-
0x1000081f0-
0x1000081f0-

打印的地址都是相同的，可以判断SSLPerson类对象在内存中只有一个。

我们用MachOView打开本项目的MachO文件 ->Symbol Table->*Symbols-> 搜索框输入class -> 向下滑：

106931623940431_.pic_hd.jpg

• __OBJC_CLASS_RO_$_SSLPerson是我们创建的SSLPerson类。
• __OBJC_METACLASS_RO_$_SSLPerson并不是我们创建的，它是系统创建的SSLPerson的METACLASS（元类），类对象的isa指针就指向了元类，那么元类的isa指针又指向哪儿里呢。

二、isa 走位图和继承链

1. isa 的走位链

看SSLPerson走位打印情况：

// SSLPerson 实例对象
SSLPerson *person = [SSLPerson alloc];
// SSLPerson 类对象
Class class = object_getClass(person);
// SSLPerson 元类
Class metaClass = object_getClass(class);
// SSLPerson 根元类
Class rootMetaClass = object_getClass(metaClass);
// SSLPerson 根根元类
Class rootRootMetaClass = object_getClass(rootMetaClass);

NSLog(@"\n实例对象：%p \n类：%p \n元类：%p \n根元类：%p \n根根元类：%p",person,class,metaClass,rootMetaClass,rootRootMetaClass);

打印结果：
实例对象：0x101044470 
类：0x1000081f0 
元类：0x1000081c8 
根元类：0x7fff80843fe0 
根根元类：0x7fff80843fe0

看打印结果，根元类和根根元类的地址都是0x7fff80843fe0。可以得出SSLPerson的isa指向关系：实例isa -> 类 isa -> 元类 isa -> 根元类 isa -> 根元类。

看NSObject走位打印情况：

// NSObject 实例对象
NSObject *object = [NSObject alloc];
// NSObject 类
Class class = object_getClass(object);
// NSObject 元类
Class metaClass = object_getClass(class);
// NSObject 根元类
Class rootMetaClass = object_getClass(metaClass);
// NSObject 根根元类
Class rootRootMetaClass = object_getClass(rootMetaClass);
    
NSLog(@"\n实例对象：%p \n类：%p \n元类：%p \n根元类：%p \n根根元类：%p ",object,class,metaClass,rootMetaClass,rootRootMetaClass);

打印结果：
实例对象：0x100562780 
类：0x7fff80844008 
元类：0x7fff80843fe0 
根元类：0x7fff80843fe0 
根根元类：0x7fff80843fe0 

看打印结果，元类、根元类、根根元类的地址都是0x7fff80843fe0。可以得出NSObject的isa指向关系：实例isa -> 类 isa -> 根元类 isa -> 根元类。可以发现NSObject跟普通类有所不同，类的isa指针直接指向了根元类。

根据上面的分析可以得到isa的走位图：

image.png

2. 继承链

看下面的打印结果：

// SSLStudent 元类
Class tMetaClass = object_getClass(SSLStudent.class);
// SSLStudent 元类的父类
Class tSuperClass = class_getSuperclass(tMetaClass);
NSLog(@"SSLStudent 元类：%p",tMetaClass);
NSLog(@"SSLStudent 元类的父类：%p",tSuperClass);
    
// LGPerson 元类
Class pMetaClass = object_getClass(SSLPerson.class);
// LGPerson 元类的父类
Class pSuperClass = class_getSuperclass(pMetaClass);
NSLog(@"SSLPerson 元类：%p",pMetaClass);
NSLog(@"SSLPerson 元类的父类：%p",pSuperClass);
    
// NSObject 元类
Class nMetaClass = object_getClass(NSObject.class);
// NSObject 元类的父类
Class nSuperClass = class_getSuperclass(nMetaClass);
NSLog(@"NSObject 元类：%p",nMetaClass);
NSLog(@"NSObject 元类的父类：%p",nSuperClass);

// NSObject 父类
Class superClass = class_getSuperclass(NSObject.class);
NSLog(@"NSObject ：%p",NSObject.class);
NSLog(@"NSObject 父类：%p",superClass);

打印结果：
SSLStudent 元类：0x100008178
SSLStudent 元类的父类：0x1000081c8
SSLPerson 元类：0x1000081c8
SSLPerson 元类的父类：0x7fff80843fe0
NSObject 元类：0x7fff80843fe0
NSObject 元类的父类：0x7fff80844008
NSObject ：0x7fff80844008
NSObject 父类：0x0

• SSLStudent 元类的父类和SSLPerson 元类的地址都是0x1000081c8；
• SSLPerson 元类的父类和NSObject 元类的地址都是0x7fff80843fe0；
• NSObject 元类的父类和NSObject的地址都是0x7fff80844008；
• NSObject 父类是空。

因此可以得到类的继承链：

image.png

3.官方走位继承图

isa流程图.png

三、源码分析类的结构

我们打开源码（objc4-818版本）搜索struct objc_class查看类结构。

1. 废弃的类结构

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;

在网上我们也会经常看到这段代码，但是我们可以看到OBJC2_UNAVAILABLE，说明这个版本在2.0中已经废弃了，我们就不用再看这个版本。

2. 源码类结构

现在用的类结构版本在objc-runtime-new.h中，定义如下：

struct objc_class : objc_object {
    xxx...
    // 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();
    }
    xxx...
}

可以看到类是一个objc_class类型的结构体，继承于objc_object，我们之前文章已经了解到objc_object结构体中有个isa_t类型的isa成员变量。

objc_class中的成员变量：

• isa：隐藏变量，继承于objc_object；
• superclass：类指针，指向父类；
• cache：缓存；
• bits：内存数据。

四、内存偏移（知识补充）

// 基本类型
int a = 10;
// 对象类型
SSLPerson *person = [SSLPerson alloc]; 
NSLog(@"%p -- %d",&a,a);
NSLog(@"%p -- %@",&person,person);

打印结果：
0x7ffeefbff3ac -- 10
0x7ffeefbff3a0 -- <SSLPerson: 0x100728a20>

a指针指向10的地址，person指针指向[SSLPerson alloc]开辟的内存地址，同时&person指针又指向了person指针的地址。

如图：

image.png

// 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);

for (int i = 0; i<4; i++) {
    int value =  *(d+i);
    NSLog(@"%d",value);
}

打印结果：
0x7ffeefbff3a0 - 0x7ffeefbff3a0 - 0x7ffeefbff3a4
0x7ffeefbff3a0 - 0x7ffeefbff3a4 - 0x7ffeefbff3a8
1
2
3
4

• d、c、c[0]都指向了数组的首地址0x7ffeefbff3a0；
• 对地址进行加1操作就是地址偏移了sizeof(int)的大小，得到下一个元素的地址0x7ffeefbff3a4、0x7ffeefbff3a8、0x7ffeefbff3ac；
• 通过*(指针)操作得到地址所存储的值。

image.png

五、类结构的内存计算

1. 计算 bits 偏移大小

上面我们知道类结构中有isa、superclass、cache、bits四个成员变量。isa占8个字节，superclass是结构体指针也占8个字节，下面来看下cache占多少个字节。

struct cache_t {

private:
    explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask; // 8
    union {
        struct {
            explicit_atomic<mask_t>    _maybeMask;// 4
#if __LP64__
            uint16_t                   _flags;  // 2
#endif
            uint16_t                   _occupied; // 2
        };
        explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache;// 指针 8
    };
}

• cache_t的大小为_bucketsAndMaybeMask和union的和。
• 点进explicit_atomic<uintptr_t>中可以看到初始化和方法都是范型，所以_bucketsAndMaybeMask的大小就是<uintptr_t>的大小为8字节；
• 也可得出union的大小为8字节，整个cache_t结构体的大小就是16字节。

所以得到，从类的首地址偏移到bits需要8 + 8 + 16 = 32个字节也就是0x20。

2. 通过偏移获取 bits

用lldb进行调试获取bits中class_rw_t的值：

image.png

3. bts 中 class_rw_t 结构分析

接下来我们要探究class_rw_t中方法和属性的存储，打开源码，看一下class_rw_t中有些什么：

struct class_rw_t {
    xxx...
    
    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()};
        }
    }

    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};
        }
    }
}

• methods()：获取方法函数，返回值为method_array_t类；
• properties()：获取属性，返回值为property_array_t类；

看下method_array_t和property_array_t的定义：

class method_array_t : 
    public list_array_tt<method_t, method_list_t, method_list_t_authed_ptr>
{
    xxx...
};

class property_array_t : 
    public list_array_tt<property_t, property_list_t, RawPtr>
{
    xxx...
};

template <typename Element, typename List, template<typename> class Ptr>
class list_array_tt {
    xxx...
}

struct property_list_t : entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> {
};
struct property_t {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

struct method_list_t : entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 0xffff0003, method_t::pointer_modifier> {
    xxx...
}
struct method_t {
    xxx...
    struct big {
        SEL name;
        const char *types;
        MethodListIMP imp;
    };
    xxx...
}

template <typename Element, typename List, uint32_t FlagMask, typename PointerModifier = PointerModifierNop>
struct entsize_list_tt {
    xxx...
    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);
    }
    xxx...
}

• property_array_t和method_array_t继承自list_array_tt；
• list_array_tt中List对应property_list_t或method_list_t；
• property_list_t和method_list_t继承自entsize_list_tt；
• entsize_list_tt中有get()方法可以获取列表中元素；
• property_t中有name和attributes成员变量；
• method_t中有big结构体，结构体中有name、types、imp成员变量。

4. lldb 查看属性列表：property_list_t

image.png

properties()函数，最终得到了属性name、age，并没有获取到_hoby成员变量；

5. lldb 查看方法列表：method_list_t

image.png

methods()函数，最终得到了方法name、setName、age、setAge、eat，并没有获取到+ (void)run；

6. lldb 查找类方法

类方法存储在元类中，lldb验证：

image.png

7. 成员变量结构分析

image.png

• 最终找到ivar_list_t * ivars变量；
• ivar_list_t和method_list_t、property_list_t一样都继承自entsize_list_tt。

8. lldb 查看成员变量：ivar_list_t

image.png