Runtime 解析 2.0

类与对象的本质

Runtime是Objective-C语言与C语言最大的一个不同，通过Runtime库OC实现了C语言没有的面向对象特性与动态语言特性。就如名字一样，Runtime指的是运行时，即程序已经在计算机系统中装载运行起来后的时期，区别于编译期。Runtime本身是一个由C/C++编写的库，包含了大部分我们在OC中日常使用到的数据结构与方法，目前已经开源，源代码可以在Apple Open Source网站上下载到。

本文参考Objc4-781版本源码

类与对象

类与对象，是面向对象语言中的基石，每个第一次学习面向对象语言的开发者都会面对一个灵魂拷问问题：什么是类与对象。

在Objective-C中，我们使用.h和.m文件，通过@interface @implement就可以定义一个Objective-C Class。而当我们使用该Class创建一个Class的实例时，该实例(instance)就被叫做对象。

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如图，我们在main方法中创建了一个名为t1的对象，t1是Test1类的实例。

那么在Objective-C中，类和对象在底层的定义是什么样的呢？我们先将main.m转换成main.cpp，看看能不能在其中发现什么端倪。

OC to C++

通过clang -rewrite-objc main.m命令，main.m文件被转换成了main.cpp，也就是C++代码，Runtime本身就是一个包含了大量C++代码的运行库。

查看转换出来的main.cpp，我们在第一行就可以看到一段疑似是类的定义的代码。

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记住这个struct objc_class，同时也要注意到我们的运行环境是__OBJC2__，这也是源码阅读的一个关键点，因为在OBJC4的代码中依然存在一些已经老旧的OBJC1代码。

将代码往下拉，找到我们的main函数。在main函数的上方，我们可以找到这样的一条定义。

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从命名可以得知，struct objc_object就是对象在Runtime中的定义，这点在之后我们会继续验证。

接着，让我们把注意点放到main方法中。在这里我们可以看到我们的源代码中的Test1 *t1 = [[Test1 alloc] init];变成了什么样子。

-w580

注意这个objc_msgSend,该方法是OC的灵魂，使OC有了动态语言的特性。该方法的实现是直接用汇编语言实现的，可以看到我们的方法调用都是变成了void objc_msgSend(void);的形式。

struct objc_object

在cpp代码文件中，我们得知了对象的底层类型是struct objc_object,并且如果我们翻一遍该文件，可以发现万物皆对象这句话的来源。可以发现无论是Protocol、NSArray等常用数据类型、id等都是struct objc_object类型。那么我们到OBJC4源码中找找objc_object是一个什么样的结构。

objc_object

可以看到，除了一些公开函数外，在private部分objc_object只有一个值，一个类型为isa_t的变量。

让我们再找一下isa_t是什么

isa

实际上，isa_t对应的就是OBJC1中的isa指针。在OBJC2中对isa指针做了更多的一些优化和封装，而它的关键功能还是不变的，就是包含了一个Class类型的值cls。

这里的Class就是类。在此处的上方可以找到Class的定义，也就是objc_class

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自此，类与对象的底层结构都已经找到了。
这里有很关键的一点：OBJC1与OBJC2对于类与对象的结构定义有所区别，我们在学习探究的时候参考的应该是objc-private,objc-runtime-new等文件，由于在objc-private.h中定义了#define OBJC_TYPES_DEFINED 1，所以objc.h已不适用。

struct objc_class

首先先展示旧版OBJC1的objc_class结构体

旧版objc_class-w417

接着是OBJC2版本的objc_class结构体

新版objc_class
以上是OBJC2版本的objc_class结构，当前我们使用的OC版本都是这个结构，其与OBJC1版本的objc_class结构区别非常大，诸如method列表、properties列表等已不再直接在结构体中暴露出来。

在新版的objc_class中，结构体内由于继承了objc_object，所以其实它也是保留了一个ISA指针的。学过旧版Runtime知识的同学应该知道，对象的ISA指针指向对象所属的类，而类的ISA指针指向元类（metaclass）

接下来我们解析一下struct objc_class结构体中几个值的作用。

• Class ISA: 指向类的元类（Meta Class)
• cache_t cache: 缓存列表。由于一个类的方法可能会有很多，所以当调用了一个方法后，Runtime会将方法加入到cache中，以减少下次调用该方法的查找时间，提高程序的运行效率
• class_data_bits_t bits: 在旧版中方法列表等值都直接在结构体中暴露出来，而新版中objc_class用bits将这些数据分隔并隐藏了起来，通过bits我们可以取到class_rw_t*类型的data，通过class_rw_t可以取到class_ro_t。也就是说类被分成了class_rw_t和class_ro_t两个部分。

继承链

从以上分析可得，新版与旧版的类与对象的关系链并没有太大区别，只是新版的类结构进行了一些优化和封装。关系链依然是 对象->类->元类

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类的结构

与OBJC1版本的代码不同，OBJC2中类结构里并没有直接暴露出属性、方法等内容。这些内容都藏在了class_data_bits_t变量中。而在其中又分成了class_rw_t和class_ro_t，后来Apple为了内存占用方面的考虑，由再次优化了这个结构，在class_rw_t和class_ro_t这个结构上再次分别分化出了class_rw_ext_t.

struct objc_class

新版objc_class

这是OBJC2的Class结构，其中各个值的意义在上文中已讲过。在这里如果我们想要访问class_rw_t的话，需要先取到class_data_bits_t bits.

由于无法直接访问到bits，所以我们要利用结构体的内存分布规律来在lldb中获取到bits。由于ISA与superclass都是一个指针，所以他们各占8字节。cache通过查看它的结构可以得知它占16个字节，所以bits在结构体中的内存偏移应该为32字节。

通过这样的方法拿到bits后，调用data()方法，就可以取到class_rw_t

class_rw_t

在上文中提到了获取class_rw_t的方法，现在我们看看它里面有什么。

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跳过一大堆的函数，我们可以看到熟悉的几个函数。

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所以，调用这几个函数，应该就可以获取到对应旧版OBJC1代码中的methods,properties了。

同时，通过ro()函数也可以获取到对应的class_ro_t

class_ro_t

class_ro_t
在class_ro_t中，可以看到有baseMethodList,baseProtocols,ivars,baseProperties等几个值。在OC中，实例方法的定义存放在类的class_rw_t中，而类方法、成员变量等则存放在元类的class_ro_t中。在程序开始运行时，Runtime会基于class_ro_t拷贝出一份值作为class_rw_t，当我们进行动态添加方法时，改动的其实是class_rw_t，class_ro_t是const的，不可修改。

lldb调试验证

以上的内容都是我们根据对源代码的阅读和分析给出的一个结论，接下来我们将利用objc4-781源码与lldb进行编译调试后验证上述提到的结构和结论。

我们首先编写一个简单的main函数

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其中LGPerson类拥有一个属性，一个类方法以及一个实例方法。

获取class_data_bits_t

首先，在前文的分析中我们知道要获取类结构中的数据我们首先需要取到class_data_bits_t, 由于内存偏移可知，要取得该值需要在类对象地址的基础上偏移8+8+16=32个字节，转化成16进制即0x20

进入lldb调试模式后我们来尝试获取class_data_bits_t

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从上图可以看到，我们成功取到了class_data_bits_t类型的指针。

获取class_rw_t

class_rw_t结构是类中比较关键的一个结构，即使它还分出来了一个class_rw_ext_t,但由于后者是出于优化的设计，本文在讨论时约定默认提到class_rw_t隐含class_rw_ext_t.

查看class_data_bits_t的结构定义，我们可以发现在里面有一个public的data()方法，该方法通过bits & FAST_DATA_MASK返回class_rw_t的指针。

在上一小段得到的$2基础上调用data()函数，我们可以得到类的class_rw_t。

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至此，我们可以验证前文中的结论是正确的了。

instance methods

实例方法存放于类的class_rw_t中，在class_rw_t中我们可以找到这样几个方法。

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我们先尝试获取一下类的实例方法列表，看看能不能看到我们定义的实例方法。

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调用method()函数后，返回的是一个method_array_t,从它的定义和结构来看，它是一个二维的容器。我们需要获取到里面的内容，取它的list。

获取到list之后，里面存放的是一个地址，我们接着获取这个地址。

可以看到，lldb对于$5.ptr的输出是一个method_list_t *const的地址，至此我们就获取到类的方法列表了。

由于获取到了方法列表的地址，我们使用*操作符来读取一下地址上的数据。

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可以看到读出来的method_list_t里是一个entsize_list_tt的结构。我们可以在代码里找到这个结构的定义。

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在这个结构体内部定义了获取数组内的值的方法。

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显然，我们可以调用get()函数来获取到entsize_list_tt里的内容。当我们调用get()后却发现，读出来的数据为空，这是为什么呢？
查阅网上资料后才发现，method的具体内容被一个big()隐藏里，在之前的版本中big()的定义和实现是能在代码中找到的，但本文参考的objc4-781版本代码中貌似没有找到该函数的定义，若有读者知道big()的相关信息欢迎在评论区指出。

在调用big()后，lldb终于是输出了我们想看到的内容。

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可以看到我们定义的实例方法instanceMethod1成功地被打印了出来，而method_t::big的结构就是method_t定义的经典三段式结构（name-types-imp)

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class methods

前文中我们已经找到了属性、实例方法、成员变量（存放在类对象的class_ro_t）中，那么还剩下一个东西，那就是类方法class method。类方法其实存放在元类Meta Class里。我们知道objc_class继承了objc_object，也就是说它结构中是隐含了一个ISA指针的。
在对象中，对象的ISA指针指向了对象所属的类，那类中的ISA指针指向哪里呢？元类。

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这张图中的链接关系，现在只剩下class->meta class这条没有被验证了。接下来我们利用lldb找一下元类。

第一步我们需要找到类对象的ISA指针。

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在objc_object结构体中有一个叫ISA()的函数

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查看该函数的实现

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发现，将isa.bits & ISA_MASK可以得到ISA指向的Class，查阅更多资料后发现这个的确是获取到元类的方法。

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使用x/4gx指令读取类对象地址的内容，第一个地址即为类中的ISA指针存放的地址。

将该地址 & 上ISA_MASK, 即0x00007ffffffffff8ULL，用po打印得到的结果，发现的确是LGPerson类，并且显然地址与[objc2 class]方法得到的不一样，说明这个就是元类的地址了。

接下来的流程与其他的无异，将该地址加上0x20的偏移量，得到元类的class_data_bits_t。接着调用data()方法得到相关数据。

获取class_rw_t
类方法

可以看到，在这里我们成功找到了类方法，这说明我们关于找元类的方法是正确的，同时类方法也的确是存储在元类中。

其实，类方法最开始的存储位置应该是在元类的class_ro_t中的，通过打印class_ro_t的内容，我们同样可以找到类方法的定义。

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写在最后

之前已经多次看过关于类与对象的底层源码，并且也尝试了lldb调试验证理论，但系统地记录并跑通所有验证还是第一次。个人认为理解类与对象的本质和原理非常重要，诸如method swizzling等runtime黑科技也是基于对类与对象的理解而产生的。通过对类与对象结构的学习，像为什么Category不能在运行时添加成员变量等问题也水到渠成地解决了。虽然这篇文章耗时非常长,时间大多耗在走通lldb的验证上，但最后还是收获满满。

如有错漏，欢迎提出

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Tino Wu.
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