这篇文章来探索类的底层
类探索
一个自定义类的类名是我们决定的,所以我们想进行类探索,就得看看我们定义的类,在底层是如何被定义的。
1、将OC代码转换成c++代码
先准备一个自定义类DZPerson
,在类中定义一个成员变量(_nick),一个属性(nameStr)。实现了一个方法(-saySomethine)和一个类方法(+sayHello)
@interface DZPerson : NSObject
{
NSString *_nick;
}
@property (copy, nonatomic) NSString *nameStr;
@end
@implementation DZPerson
- (void)saySomething {
NSLog(@"%s", __func__);
}
+ (void)sayHello {
NSLog(@"%s", __func__);
}
@end
在main中进行初始化。
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
// insert code here...
NSLog(@"Hello, World!");
DZPerson *person = [DZPerson alloc];
}
return 0;
}
使用终端,进入到main.m
文件所在的路径,使用clang
命令,编译main.m
文件
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp
输出main.cpp,打开这个文件,在里面进行搜索DZPerson
,作为线索的出发点:
typedef struct objc_object DZPerson;
⏬⏬⏬
struct DZPerson_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
NSString *_nick;
};
⏬⏬⏬
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
⏬⏬⏬
typedef struct objc_class *Class;
- 自定义类的类名是
struct objc_object
结构体的别名。 - 找到了一个
struct DZPerson_IMPL
结构体,包含两个成员属性:- 另一个结构体
struct NSObject_IMPL
,通过名字中的字段,了解到这个应该是父类NSObject
- 我们定义的成员
_nick
- 另一个结构体
- 查看
NSObject_IMPL
结构体,里面有一个成员isa
,是Class
类型。 - 最后在文件中找到
Class
是struct objc_class *
结构体指针类型。
通过以上逻辑,我们的目标转移到struct objc_object
和struct objc_class
这两个结构体上了。
2、struct objc_object & struct objc_class
看看这两个结构体在源码中的定义,代码比较长,我只截获了需要我们研究的部分:
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
public:
//这里定义了一些函数,先省略
...
}
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();
}
void setData(class_rw_t *newData) {
bits.setData(newData);
}
//省略后续代码
...
}
-
objc_object
中只有一个成员:isa
-
objc_class
继承自objc_object
:- 第一个成员就是父类
objc_object
中的isa(苹果的注释还是挺人性的) - superclass,字面意思很清楚,super类
- cache,缓存相关信息
- bits,里面存放类的相关数据(成员、属性、方法、协议等相关数据信息)
- 后面还有很多函数,可以自行去查看一下。(此处记录bits的getter和setter函数,因为后面要用到)
- 第一个成员就是父类
通过以上的源码查看和相关的简要分析,我们可以确认自定义类
在底层会被转化成objc_class
类型的结构体。实例对象在底层就是objc_object
类型。通过下面的两行源码,可以直接证明:
typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;
此时看文章的你可能会有个疑惑:objc_class
继承自objc_object
,==那么类也是对象?==
3、万物皆对象
OC中类也是对象,如何证明呢?我们知道,实例对象中的isa指向的是类,类中也有isa,我们通过lldb来看看类的isa:
我们以文章开头的代码为例:
DZPerson *person = [DZPerson alloc];
lldb执行截图:
- 打印person的内存情况
x/4gx perosn
:首地址中的第一个值是person对象的isa。 - 从person的isa中读取类信息地址(通过一个系统定义好的宏,进行获取)。
- po得到的值,也就是图片中第一个红框,打印是
DZPerosn
,地址是:0x0000000100002378
- 再用与查看person内存相同的方式,查看得到的
0x0000000100002378
的内存情况,也就是查看DZPerson
类的内存 - 获取
DZPerson
的isa
,并po一下,打印的结果页是DZPerson
,但是地址和前面打印的地址不同。这个第二个DZPerosn
是元类
。 - 继续查看元类isa,打印出来的是
NSObject
,但是它不是NSObject
类,而是NSObject
的元类,也就是根元类
。而根元类
的isa指向还是根元类
简单来说,==实例对象isa指向类,类isa指向元类,元类isa指向根元类,根元类的isa指向根元类。==通过一张图,可以更好的理解isa的走位指向:
isa流程图
图中虚线代表isa走位,实现代表superclass走位。
==因此:类是元类的实例对象,而元类是根元类的示例对象。所以说,类也是对象,万物接对象==。
4、lldb调试打印类中的信息
接下来我们用lldb来看看类中存储的属性、方法,前文说到这些信息都存储在class_data_bits_t bits
中,使用指针偏移的方式就可以获取到bits。
此处放一张objc_class的源码截图:
拿到class在内存中的首地址,分别加上属性isa、superclass和cache占用的内存大小,就可以得到bits的地址。
isa
和superclass
都是指针类型,所以分别占用8字节。
那么现在需要计算cache占用多少字节,看看cache_t
的源码:
struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;
explicit_atomic<mask_t> _mask;
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
mask_t _mask_unused;
//省略静态成员变量
...
#else
#error Unknown cache mask storage type.
#endif
#if __LP64__
uint16_t _flags;
#endif
uint16_t _occupied;
public:
//省略后面的函数
...
}
- 首先是编译条件的公式#if和#elif,里面都是有两个成员变量,分别是指针类型和
mask_t
类型。指针占用8个字节,mask_t
是uint32_t
的别名,也就是占中4个字节。 -
_flags
和_occupied
分别占用2个字节,因为是uint16_t
类型。 - 其余的就是静态成员和函数,在结构体中的静态成员和函数是不占用结构体内存空间的。因此得出
cache_t cache
成员在结构体中占用16字节
==那么想要得到class_data_bits_t bits
的偏移量,就是isa+superclass+cache=8+8+16=32,转换成十六进制就是20==
条件满足,我们开始打印类中的信息:
- 打印类地址:直接获取
DZPerson
的首地址
首地址的第一个元素就是类的isa,所以我们直接以十六进制打印即可。
- 获取
bits
,拿到首地址进行+20偏移,20是前面计算出来的(0x0000000100002398 = 0x0000000100002378 + 20)。并且进行强制类型转换
- 调用
class_rw_t *data() const
函数(前文中,objc_class
源码中的函数),得到地址,打印地址中的值:
- 接下来用
class_rw_t
中的methods()
函数,可以获取到方法列表:
-
list
函数获取列表的首地址,打印地址的值后,用get查看到类中的所有方法。通过下图能看到类中定义的saySomething
方法、属性nameStr的setter和getter方法,还有一个系统生成的.cxx_destruct
方法:
-
类中还定义了一个类方法
+ (void)sayHello
,在这里是看不到的。因为类方法存在元类中。
通过上面的方式我们就可以查看到类中方法,也可以证明,方法是存在类中。同样,通过class_rw_t
中的properties()
可以获取到属性、protocols()
获取协议。
成员变量存在ro
中,通过函数ro()
获取:
总结
- 通过查看c++代码,我们找到了类的底层定义
objc_class
,并且知道类中也存在isa指针。 - 通过isa走位图,知道类也是对象,并推到出‘万物皆对象’。
- 通过lldb一步步看到类中的属性、方法、协议以及成员在类中如何存储的。
希望本文能对你有所帮助,如果有错误的地方,还请指出,谢谢!
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