Runtime 一：类与对象基础结构

作者: iOS_修心 | 来源:发表于2021-09-26 19:26 被阅读0次

Demo: https://github.com/iOSlixiang/RuntimeTest.git
objc4-818.2 源码: https://github.com/iOSlixiang/objc4-818.2.git

Class

Objective-C类是由Class类型来表示的，它实际上只是objc_class的结构体指针。

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

@interface Object { 
    Class isa; 
}

@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

在2006年苹果发布Objc 2.0，objc_class定义没有发生变化，但是结构体发生了变化。
在Objc2.0之前，objc_class源码

// 一个类的实例的结构体
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
// 类结构体
struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    Class super_class                       OBJC2_UNAVAILABLE;  // 父类
    const char *name                        OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类名
    long version                            OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类的版本信息，默认为0
    long info                               OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类信息，供运行期使用的一些位标识
    long instance_size                      OBJC2_UNAVAILABLE;  // 该类的实例变量大小
    struct objc_ivar_list *ivars            OBJC2_UNAVAILABLE;  // 该类的成员变量链表
    struct objc_method_list **methodLists   OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法定义的链表
    struct objc_cache *cache                OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法缓存
    struct objc_protocol_list *protocols    OBJC2_UNAVAILABLE;  // 协议链表
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

在Objc2.0，objc_class继承于objc_object。在objc_class中也会包含isa_t类型的结构体isa。 Objective-C 中类也是一个对象。

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
}
//继承
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
}
// isa是一个联合体
union isa_t 
{
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    Class cls;
    uintptr_t bits;
}

把源码的定义转化成类图，就是上图的样子。

从上述源码中，我们可以看到，Objective-C 对象都是 C 语言结构体实现的，在objc2.0中，所有的对象都会包含一个isa_t类型的结构体。

objc_object被源码typedef成了id类型，这也就是我们平时遇到的id类型。这个结构体中就只包含了一个isa_t类型的结构体。

bjc_class继承于objc_object。所以在objc_class中也会包含isa_t类型的结构体isa。至此，可以得出结论：Objective-C 中类也是一个对象。在objc_class中，除了isa之外，还有3个成员变量，一个是父类的指针，一个是方法缓存，最后一个这个类的实例方法链表。

object类和NSObject类里面分别都包含一个objc_class类型的isa。

上图的左半边类的关系，右边是isa的结构体

isa指针

联合体：一种特殊的数据类型，其目的是节省内存。联合体内部可以定义多种数据类型，但是同一时间只能表示某一种数据类型，且所有的数据类型共享同一段内存。联合体的内存大小等于所定义的数据类型中占用内存的最大者。
互斥赋值/共用内存：允许装入该“联合”所定义的任何一种数据成员，但同一时间只能表示一种数据成员，采用了覆盖的技术；
union所占内存长度：union 变量所占用的内存长度等于最长的成员的内存长度；

union isa_t { //联合体
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    //提供了cls 和 bits ，两者是互斥关系
    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

isa_t类型使用联合体的原因也是基于内存优化的考虑，这里的内存优化是指在isa指针中通过char + 位域（即二进制中每一位均可表示不同的信息）的原理实现。通常来说，isa指针占用的内存大小是8字节，即64位，已经足够存储很多的信息了，这样可以极大的节省内存，以提高性能

从isa_t的定义中可以看出：

提供了两个成员，cls 和 bits，由联合体的定义所知，这两个成员是互斥的，也就意味着，当初始化isa指针时，有两种初始化方式
- 通过cls初始化，bits无默认值
- 通过bits初始化，cls无默认值
还提供了一个结构体定义的·位域·，用于存储类信息及其他信息，结构体的成员·ISA_BITFIELD·，这是一个宏定义，有两个版本 __arm64__（对应ios 移动端）和 __x86_64__（对应macOS）

位域的宏定义

元类(Meta Class)

在上面我们提到，所有的类自身也是一个对象，我们可以向这个对象发送消息(即调用类方法)。如：

NSArray *array = [NSArray array];

这个例子中，+array消息发送给了NSArray类，而这个NSArray也是一个对象。既然是对象，那么它也是一个objc_object指针，它包含一个指向其类的一个isa指针。那么这些就有一个问题了，这个isa指针指向什么呢？为了调用+array方法，这个类的isa指针必须指向一个包含这些类方法的一个objc_class结构体。这就引出了meta-class的概念

meta-class是一个类对象的类。

当我们向一个对象发送消息时，runtime会在这个对象所属的这个类的方法列表中查找方法；而向一个类发送消息时，会在这个类的meta-class的方法列表中查找。

meta-class之所以重要，是因为它存储着一个类的所有类方法。每个类都会有一个单独的meta-class，因为每个类的类方法基本不可能完全相同。

再深入一下，meta-class也是一个类，也可以向它发送一个消息，那么它的isa又是指向什么呢？为了不让这种结构无限延伸下去，Objective-C的设计者让所有的meta-class的isa指向基类的meta-class，以此作为它们的所属类。即，任何NSObject继承体系下的meta-class都使用NSObject的meta-class作为自己的所属类，而基类的meta-class的isa指针是指向它自己。这样就形成了一个完美的闭环。

通过上面的描述，再加上对objc_class结构体中super_class指针的分析，我们就可以描绘出类及相应meta-class类的一个继承体系了，如下图所示：

图中实线是 super_class指针，虚线是isa指针。

Root class (class)其实就是NSObject，NSObject是没有超类的，所以Root class(class)的superclass指向nil。
每个Class都有一个isa指针指向唯一的Meta class
Root class(meta)的superclass指向Root class(class)，也就是NSObject，形成一个回路。
每个Meta class的isa指针都指向Root class (meta)。

对于NSObject继承体系来说，其实例方法对体系中的所有实例、类和meta-class都是有效的；而类方法对于体系内的所有类和meta-class都是有效的。

cache_t

struct cache_t {
    struct bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;
}

typedef unsigned int uint32_t;
typedef uint32_t mask_t;  // x86_64 & arm64 asm are less efficient with 16-bits

typedef unsigned long  uintptr_t;
typedef uintptr_t cache_key_t;

struct bucket_t {
private:
    cache_key_t _key;
    IMP _imp;
}

根据源码，我们可以知道cache_t中存储了一个bucket_t的结构体，和两个unsigned int的变量。

mask：分配用来缓存bucket的总数。
occupied：表明目前实际占用的缓存bucket的个数。

bucket_t的结构体中存储了一个unsigned long和一个IMP。IMP是一个函数指针，指向了一个方法的具体实现。

cache_t中的bucket_t *_buckets其实就是一个散列表，用来存储Method的链表。

Cache的作用主要是为了优化方法调用的性能。当对象receiver调用方法message时，首先根据对象receiver的isa指针查找到它对应的类，然后在类的methodLists中搜索方法，如果没有找到，就使用super_class指针到父类中的methodLists查找，一旦找到就调用方法。如果没有找到，有可能消息转发，也可能忽略它。但这样查找方式效率太低，因为往往一个类大概只有20%的方法经常被调用，占总调用次数的80%。所以使用Cache来缓存经常调用的方法，当调用方法时，优先在Cache查找，如果没有找到，再到methodLists查找。

class_data_bits_t

// class_data_bits_t相当于 class_rw_t指针加上 rr/alloc 的标志。
struct class_data_bits_t {
    // Values are the FAST_ flags above.
    uintptr_t bits;
}
// 返回 class_rw_t *指针的快捷方法
class_rw_t *data() {
    return bits.data();
}


// class_ro_t 在编译期产生，它是类中的可读信息。
// class_rw_t 在运行时产生，它是类中的可读写信息。
struct class_rw_t {
    uint32_t flags;    // 标记
    uint32_t version;  // 版本

    // 类中的只读信息
    const class_ro_t *ro;

    /*
     这三个都是二位数组，是可读可写的，包含了类的初始内容、分类的内容。
     methods中，存储 method_list_t ----> method_t
     二维数组，method_list_t --> method_t
     这三个二位数组中的数据有一部分是从class_ro_t中合并过来的。
     */
    method_array_t methods;      // 方法数组
    property_array_t properties; // 属性数组
    protocol_array_t protocols;  // 协议数组

    Class firstSubclass; //为某个类第一次创建的时候去寻找父类的时候绑定给父类的。
    Class nextSiblingClass; // 下一个相同父类的类

    char *demangledName;
}

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart; // 开始位置
    uint32_t instanceSize; // 所占空间大小
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif

     /* ivar 布局， 在编译期这里就固定了，
     它标示ivars的内存布局，在运行时不能改变，
     这也是为什么我们在运行时不能动态给类添加成员变量的原因*/
    const uint8_t * ivarLayout;
    
    const char * name;  //名字
    method_list_t * baseMethodList;  //方法链表
    protocol_list_t * baseProtocols; //协议链表
    const ivar_list_t * ivars;       //成员变量链表

    const uint8_t * weakIvarLayout; // weak 成员变量的内存布局
    property_list_t *baseProperties;  //属性链表

    method_list_t *baseMethods() const {
        return baseMethodList;
    }
};

Objc的类的属性、方法、以及遵循的协议在obj 2.0的版本之后都放在class_rw_t中。class_ro_t是一个指向常量的指针，存储来编译器决定了的属性、方法和遵守协议。rw-readwrite，ro-readonly
在编译期类的结构中的 class_data_bits_t *data指向的是一个 class_ro_t *指针。
在运行时调用 realizeClass方法，会做以下3件事情：

从 class_data_bits_t调用 data方法，将结果从 class_rw_t强制转换为 class_ro_t指针
初始化一个 class_rw_t结构体
设置结构体 ro的值以及 flag

最后调用methodizeClass方法，把类里面的属性，协议，方法都加载进来。

整个流程 objc_readClassPair --> readClass --> realizeClass --> methodizeClass

Runtime 一：类与对象基础结构

Class

isa指针

元类(Meta Class)

cache_t

class_data_bits_t

总结一下objc_class 1.0和2.0的差别。

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