前言

上一篇我们根据底层源码，构想画了一张图。
那么他们的底层是如何实现的？
他们之间的关系又是什么样的呢？
带着疑问，让我们一步步来验证吧。

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实例

通过c++源码，看下实例对象的底层结构
根类实例对象

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

QPPerson实例对象-继承自NSObject

struct QPPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString * _Nonnull _publicName;
    NSString *_privateName;
};

QPCoder实例对象-继承自QPPerson

struct QPCoder_IMPL {
    struct QPPerson_IMPL QPPerson_IVARS;
    int _level;
};

可以看到，
1.实例对象直接持有各自成员变量
2.并通过strcut结构体嵌套的方式从父类实例结构体那里继承父类实例的成员变量
3.所有的OC实例对象都会从根对象objc_object实例结构体那里得到他们的第一个成员变量isa。isa指针指向其类型cls。
4.通过验证发现父类的私有成员变量也会被子类继承(结构体嵌套)，无法显式访问(不暴露在.h文件中)，但可以通过KVC访问父类的私有成员变量。

截屏2021-10-18 下午3.57.04.png

实例对象的创建

在前面的文章中，探索alloc函数，我们知道了一个实例对象的创建过程。首先alloc函数从cls模板中获取了一个实例结构体所需要的大小，并调用calloc函数返回所需大小的内存空间，然后initIsa。在initISa中，把isa跟cls绑定，并设置了一些位(引用计数&hasCxx等)。
在这里并没有直接使用到上面看到QPPerson 或者 QPCoder的结构体，那么这些结构体有什么作用？
继续看我们的c++源码

static struct _class_ro_t _OBJC_CLASS_RO_$_QPPerson __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
    0, __OFFSETOFIVAR__(struct QPPerson, _publicName), sizeof(struct QPPerson_IMPL), 
    (unsigned int)0, 
    0, 
    "QPPerson",
    (const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_INSTANCE_METHODS_QPPerson,
    0, 
    (const struct _ivar_list_t *)&_OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_QPPerson,
    0, 
    (const struct _prop_list_t *)&_OBJC_$_PROP_LIST_QPPerson,
};

extern "C" unsigned long int OBJC_IVAR_$_QPPerson$_publicName __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_ivar"))) = __OFFSETOFIVAR__(struct QPPerson, _publicName);

static NSString * _Nonnull _I_QPPerson_publicName(QPPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString * _Nonnull *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_QPPerson$_publicName)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);

static void _I_QPPerson_setPublicName_(QPPerson * self, SEL _cmd, NSString * _Nonnull publicName) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct QPPerson, _publicName), (id)publicName, 0, 1); }

QPPerson_IMPL的结构体信息，会被类保存，包括：结构体的大小、setter、getter、成员变量的相对偏移量、属性修饰等等，这些信息都会被类模板cls保留。
在运行时，我们通过cls创建实例对象，并将实例对象instance的isa和cls绑定。instance直接持有实例变量，并可以通过cls模板中的getter、setter或者直接通过self+相对偏移量访问它的成员变量。（关于getter&setter&成员变量的访问，后面单独写一篇来讲讲）

小结：
1.instance直接持成员变量和isa，通过isa绑定了cls。
2.isa是实例成员和cls联系的桥梁(甚至我们可以修改isa指向来达到修改其类的效果)。
3.cls模板保存了实例结构体构造，属性成员的getter、setter，实例大小，成员变量的相对偏移量，方法等多个实例可以共享的信息。
4.因此，实例instance的大小只跟成员变量的数量及大小相关。

那么cls的底层是如何实现的，元类&父类这些结构又是如何串联起来的呢？

类

上面我们研究了实例对象的数据结构。我们知道，所有的instance都会从根实例结构体objc_object那里继承isa指针(结构体嵌套)，指向其类。那么类的底层实现是什么样的呢？
看下源码：

struct objc_class : objc_object {
  objc_class(const objc_class&) = delete;
  objc_class(objc_class&&) = delete;
  void operator=(const objc_class&) = delete;
  void operator=(objc_class&&) = delete;
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;  
    ---省略方法---
}

类的实现还是比较复杂，后面单独写文章分析，这里主要想探索下，实例&类&元类他们是怎么样关联起来的，它们各自的功能是什么，为什么这样设计？
从源码我们看到，struct objc_class继承自objc_object，由此可知
1.objc_class结构体跟实例instance一样都是objc_object，都是对象
2.objc_class也有isa指针
3.objc_class有一个superClass成员
4.跟instace不同，所有的objc_class是统一结构体的模板，拥有相同成员。

我们已经知道实例instance的isa指向objc_class,那么objc_class的isa指针是不是就是指向元类？superClass指针是不是指向父类？

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QPPerson的isa值为0x1000083a0等于metaClass的地址
QPPerson的superClass成员的值为0x7fff806a4088等于superClass的地址，也就是NSObject
总结：
1.类的isa指向元类
2.类的superClass指向父类

元类

元类的指针类型也是Class。
也就是说元类和类是同样的数据结构，也有isa指针和superClass指针。
那么元类的isa指针 和 superClass指针指向谁呢？

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可以看到：
QPCoder的元类的isa = 0x00007fff806a4060
QPPerson的元类的isa = 0x00007fff806a4060
NSObject的元类的isa = 0x00007fff806a4060
NSObject元类的地址 = 0x00007fff806a4060

结论1：所有元类的isa都指向了根类的元类

QPCoder元类的superClass = 0x00000001000083a0 = QPPerson元类的地址
QPPerson元类的superClass = 0x00007fff806a4060= NSObject元类的地址

结论2：元类的superClass指向父类的元类

这里有个特殊的边界情况，根类的superClass，根类元类的superClass和isa该指向哪里？
通过上面的LLDB打印，可知：
NSObject的superClass= 0x0000000000000000，也就是nil
NSObject-meta元类的isa = 0x00007fff806a4060，也就是指向自己，符合我们上面的总结，所有元类的isa都指向根类的元类。
NSObject-meta的superClass = 0x00007fff806a4088 = NSObject。根元类的superclass竟然指向了根
类。

结论3：根类的superClass为nil，根元类的superClass为根类，所有元类的isa都指向根元类，包括根元类自己

小结

通过上面源码，已经LLDB的打印验证，我们验证了实例对象&类&元类的关系及层次结构，以及他们是怎样同isa和superClass指针绑定关联的。
下图是苹果官方的经典的层次结构图示，与我们验证的结果相符。

isa流程图.png

为什么设计元类

虽然我们知道了 实例对象&类&元类的层次结构以及他们之间怎么关联的。但这里就有个疑问，为什么要设计元类这一层。

一个程序会有多个同类型的实例对象，他们的公共内容可以放在类模板中，比如对象方法，对象大小，有哪些属性，成员变量等。
但类对象只会有一个，为什么还要设计元类呢？类方法为什么不放在类的一个单独的list里面跟对象方法区分？元类还有存在的必要吗?

当我们po LGPerson.class的时候返回仍然是LGPerson自己。很显然苹果也不想对外暴露元类的存在，不希望通过API去访问元类。那他为什么还要设计元类呢。

带着这个疑问，翻阅了一些资料，做下总结。

• 首先，这么做符合面向对象的设计理念，万物皆对象，class也是对象，有它所属的类，即metaClass。
• 职责分离，每个对象有各自的class，每个class有各自的metaClass
• 复用objc_msgSend通道，在这个层面上class就是一个普通对象，通过同样的通道到它所属类metaClass中查找响应方法。
• 类方法不仅实现实现专门的实例化器（与其他一些面向对象语言的“构造函数”大致对应），且有利于类之间共享的行为
• metaclass是 smalltack 中为数不多丑陋设计之一，好处是不需要了解工厂模式，类本身就能充当工厂
• 综上，也许我们不是必须为类设计元类，但是metaClass符合面向对象对象的设计理念，符合smallTalk消息传递的精髓。

metaClass的isa指向rootMetaClass

很显然我们的类设计的层次结构不能无限循环下去

• meta-class的存在使我们类实例的方法有地方存储。而元类本身的存在，苹果很显然是不想暴露的，也没有元类的方法给我们访问。那么元类的isa指针指向可以特殊设计，一般情况下它也不会被开发者使用到。
• 苹果把元类isa的指针指向了root-meta-class，也就是NSObject的元类-（包括根元类自己的isa指针，自己指向自己）。元类的isa似乎没什么用，只是让他们统一指向一块内存。

为什么根元类的superClass指针指向NSObject

• 无论元类还是类的底层数据结构都是objc_class,objc_class继承自objc_object。这也是面向对象的设计理念的体现。
• 复用objcMsgSend消息机制的通道，无论消息接收者是对象还是类对象，他们的方法查找路径有了一个统一的终点。

总结

• 对象直接持有成员变量和isa，对象的isa指向其所属类class
• class类模板保存共享信息
• class和metaClass都是objc_class类型的结构体
• class的isa指向元类，superClass指针指向父类
• metaClass的isa指针统一指向rootMetaClass，superClass指针父类的metaClass
• 根元类的superClass指向根类NSObject，NSObject的superClass为nil
• 元类的设计也许不是必要，但符合面向对象的设计理念，也符合smallTalk的消息传递的机制。

一点思考

学而时习之，温故而知新。特别是尝试去思考苹果为什么这样设计instance，class和metaclass之间结构，对于面向对象的设计多了一些了解。其中有不足，不对的地方也希望积极留言。