iOS底层-类的底层原理（一）

作者: 忻凯同学 | 来源:发表于2021-06-22 01:42 被阅读0次

前言

通常在创建对象的时候，都会继承 NSObject去新建一个类，那么NSObject 继承谁？或者说类的底层原理是什么？下面来具体探究一下。

本文探索过程会涉及到对象的本质

准备工作

新建一个 Project

在 main.m 中添加一个类 ZLObject，打上断点并执行。

案例分析

1. 探索对象的底层

$ p obj：查看 obj 对象的地址。

$ x/4gx obj地址：查看 obj 对象的isa及内存占用。

$ p/x isa地址 & 掩码地址：与掩码做与运算

$ po 与运算地址：查看关联类

流程如下：

其中掩码为 __86_64__ 的掩码地址 0x00007ffffffffff8ULL，最终得到 ZLObject 的地址：0x0000000100008260

2. 继续探索

以上面 ZLObject 的 0x0000000100008260 地址，再次进行 isa 和 ISA_MASK 与运算，最终得到 0x0000000100008238 的地址，还是 ZLObject。

这就比较奇怪了，为什么都是 ZLObject，内存地址却不一样？

3. 再次探索

再次以新的 ZLObject 的 0x0000000100008238 地址，再次进行 isa 和 ISA_MASK 与运算，最终得到 0x00007fff92c9d0f0 的地址，是 NSObject。

对此，有两个疑问：

两次的 ZLObject 是否存在的一定的联系？

NSObject 的 isa 指向了什么？

4. 方法印证

添加下图方法，并打印其内存情况。

打印结果如下：

通过上面的案例，得到的结论是：对象的 isa 是指向 类，也就是 ZLObject 的内存地址 0x0000000100008260，那么类的 isa 指向的是什么？为什么这块内存地址也是 ZLObject。

5. MachO文件分析

有关MachO文件探索，请移步 MachO文件分析

通过 MachOView 的分析，直接定义到 Symbol Table 下查看所有的 symbols 数据，搜索 class，得出：

找到了 0x0000000100008260 的内存地址，其符号下标就是 _OBJC_CLASS_$_ZLObject，也就是 ZLObject。

找到了 0x0000000100008238 的内存地址，其符号下标就是 _OBJC_METACLASS_$_ZLObject，称为 ZLObject 的元类。

结论一

对象的 isa 指向 类

类的 isa 指向 元类

元类 是系统编译器生成的。

MetaClass的本质

上面的分析中，提出了两个疑问，其中第一个已经证实，两次的 ZLObject，一个是 类，一个是 元类。那么，NSObject 的 isa 指向了什么？接下来我们继续探索。

通过查看 NSObject.class 的内存地址 0x00007fff92c9d118，发现和之前的 NSObject 地址 0x00007fff92c9d0f0 不一样，因此 0x00007fff92c9d0f0 为 NSObject 的 元类。

那么 NSObject元类 的 isa 又指向了什么？

通过运算分析，NSObject元类 的 isa 还是指向 NSObject元类。

结论二

元类 的 isa 指向 根元类

根元类的 isa 还是指向 根元类

对于 NSObject ，它也是 根类，根类的 isa 也是指向 根元类

SuperClass的本质

上面分析了 ZLObject 类和 NSObject类的 isa 指向情况，那么父类 SuperClass 的 isa 指向情况和继承关系如何呢？

1. NSObject SuperClass

创建如图类，并打印其内存情况：

打印结果如下：

说明：

NSObject 的父类是 nil

NSObject 的元类的父类还是 NSObject

2. ZLObject SuperClass

首先看一下类的父类是 NSObject 的情况，打印其元类：

打印结果如下：

说明：ZLObject 的元类的父类是 NSObject 的元类

3. ZLSubObject SuperClass

创建继承于 ZLObject 的子类 ZLSubObject，并打印如图内存：

打印情况如下：

说明：ZLSubObject 的元类的父类是 ZLObject 的元类。

结论三

NSObject 的父类是 nil，其元类的父类还是 NSObject

父类的元类也有继承关系。

最终得到两个关系图，一个是类的 isa 指向图，一个是类的继承链图。

类的 isa 指向图

类继承链图

内存偏移

1. 普通指针

打印结果：

说明：常量10处于 常量区 ，可以被 不同 的指针引用，其引用原理为 值拷贝。

2. 数组指针

打印结果：

说明：

使用数组 下标 取地址，和利用 指针偏移量 取值效果一样。不如上图中是 &c[0] 和 b + 1

数组的 首地址 也就是数组 第一个 元素的地址。

指针 偏移量大小 和数组元素所占用 字节大小 有关，比如上图中是 int，所以打印结果地址相差 4，也称 步长 。

类的内存结构

分析源码可知，objc_class 方法实现如下：

其内存结构图如下：

因此如果想要得到 bits，就必须知道 superclass 和 cache 的内存字节数，再利用内存偏移得到 bits。

由于 isa 是 8 字节，此处不再赘述。

1. superclass

superclass 和 isa 一样，也是 8 字节，因为都是 Class 结构体类型

2. cache

cache_t 的有效代码如下：

cache_t 中的方法和 static 声明的字段都不是在该结构体内，所以只需要分析上面的有效代码，获取 cache_t 所占用的内存大小，即可得到 bits 的内存偏移量。

1. 联合体之外的 explicit_atomic<uintptr_t>的大小：
explicit_atomic 为泛型指针，所以其内存大小由 <uintptr_t> 决定的，也就是 uintptr_t 的大小，为 8 字节。也可以使用 sizeof(uintptr_t) 查看其字节大小。