iOS | 底层原理分析 (一)

作者: Leon_520 | 来源:发表于2019-03-12 13:30 被阅读0次

一. OC对象本质

1.1 OC对象数据结构

我们平时编写的Objective-C代码，底层实现其实都是C\C++代码

image.png

所以Objective-C的面向对象都是基于C\C++的数据结构实现的

将Objective-C代码转换为C\C++代码

 xcrun  -sdk  iphoneos  clang  -arch  arm64  -rewrite-objc  OC源文件  -o  输出的CPP文件

如果需要链接其他框架，使用-framework参数。比如-framework UIKit

OC对象的数据结构

// NSObject Implementation
struct NSObject_IMPL {
    Class isa; // 8个字节,Class也是一个结构体指针
    ... //成员变量
};
// Class指针
typedef struct objc_class *Class;

举例

@interface Student : NSObject
{
    @public
    int _no;
    int _age;
}
@end
@implementation Student
@end

实际转为C/C++代码为:
struct Student_IMPL {
    Class isa;
    int _no;
    int _age;
};

二. OC对象的分类

OC对象可以分为3种:

instance对象 (实例对象)
class对象 (类对象)
meta-class对象 (元类对象)

2.1 instance对象 (实例对象)

instance对象就是通过类alloc出来的对象，每次调用alloc都会产生新的instance对象

 NSObject *object1 = [[NSObject alloc] init];
 NSObject *object2 = [[NSObject alloc] init];

object1、object2是NSObject的instance对象（实例对象）
它们是不同的两个对象，分别占据着两块不同的内存

instance对象在内存中存储的信息包括
    -isa指针
    -其他成员变量

2.2 Class对象 (类对象)

我们平时说的类,其实也是对象,称为类对象, 每个类在内存中有且只有一个class对象

NSObject *object1 = [[NSObject alloc] init];
NSObject *object2 = [[NSObject alloc] init];
Class objectClass1 = [object1 class];
Class objectClass2 = [object2 class];
Class objectClass3 = object_getClass(object1);
Class objectClass4 = object_getClass(object2);
Class objectClass5 = [NSObject class];

objectClass1 ~ objectClass5都是NSObject的class对象（类对象）

它们是同一个对象。每个类在内存中有且只有一个class对象

class对象在内存中存储的信息主要包括
isa指针
superclass指针
类的属性信息（@property）、类的对象方法信息（instance method）
类的协议信息（protocol）、类的成员变量信息（ivar）
......

一个类对象的内存布局

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2.3 meta-Class 元类对象

每个类在内存中有且只有一个meta-class对象

// 将类对象当做参数传入，获得元类对象
Class objectMetaClass = object_getClass(objectClass5);

objectMetaClass是NSObject的meta-class对象（元类对象）

每个类在内存中有且只有一个meta-class对象

meta-class对象和class对象的内存结构是一样的，但是用途不一样，在内存中存储的信息主要包括
isa指针
superclass指针
类的类方法信息（class method）
......

查看是否为元类对象: 
Bool result = class_isMetaClass(objectMetaClass)

元类对象内存布局

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三. isa指针 & superclass指针

3.1 isa 指针

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instance的isa指向class
当调用对象方法时，通过instance的isa找到class，最后找到对象方法的实现进行调用

class的isa指向meta-class
当调用类方法时，通过class的isa找到meta-class，最后找到类方法的实现进行调用

3.2 superClass 指针

class对象的superclass指针

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当Student的instance对象要调用Person的对象方法时，会先通过isa找到Student的class，
然后通过superclass找到Person的class，最后找到对象方法的实现进行调用

meta-class对象的superclass指针

image.png

当Student的class要调用Person的类方法时，会先通过isa找到Student的meta-class，
然后通过superclass找到Person的meta-class，最后找到类方法的实现进行调用

3.3 isa 和 superClass 总结

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instance的isa指向class

class的isa指向meta-class

meta-class的isa指向基类的meta-class

class的superclass指向父类的class
-如果没有父类，superclass指针为nil

meta-class的superclass指向父类的meta-class
-基类的meta-class的superclass指向基类的class

instance调用对象方法的轨迹
-isa找到class，方法不存在，就通过superclass找父类

class调用类方法的轨迹
-isa找meta-class，方法不存在，就通过superclass找父类

四.窥探struct objc_class的结构

objc4源码地址( https://opensource.apple.com/tarballs/objc4/)

image.png

五. KVO 原理及实现

KVO的全称是Key-Value Observing，俗称“键值监听”，可以用于监听某个对象属性值的改变

image.png

使用了KVO监听的对象

image.png

- 利用RuntimeAPI动态生成一个子类，并且让instance对象的isa指向这个全新的子类
- 当修改instance对象的属性时，会调用Foundation的_NSSetXXXValueAndNotify函数
        willChangeValueForKey:
        父类原来的setter
        didChangeValueForKey:
    - 内部会触发监听器（Oberser）的监听方法(observeValueForKeyPath:ofObject:change:context:）

// 代码

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    Person *person = [[Person alloc]init];;
    [p addObserver:self forKeyPath:@"name" options:NSKeyValueObservingOptionNew | NSKeyValueObservingOptionOld context:nil];    
}

- (void)observeValueForKeyPath:(NSString *)keyPath ofObject:(id)object change:(NSDictionary<NSKeyValueChangeKey,id> *)change context:(void *)context{
   NSLog(@"被观测对象：%@, 被观测的属性：%@, 值的改变: %@\n, 携带信息:%@", object, keyPath, change, context);
}

六. KVC 原理及实现

KVC的全称是Key-Value Coding，俗称“键值编码”，可以通过一个key来访问某个属性

常见的API有
- (void)setValue:(id)value forKeyPath:(NSString *)keyPath;
- (void)setValue:(id)value forKey:(NSString *)key;
- (id)valueForKeyPath:(NSString *)keyPath;
- (id)valueForKey:(NSString *)key;

setValue:forKey:的原理

image.png

七. Categroy

Categroy 给类扩展方法,或者关联属性, Categroy底层结构也是一个结构体:
内部存储这结构体的名字,那个类的分类,以及对象和类方法列表,协议,属性信息

- 通过Runtime加载某个类的所有Category数据

- 把所有Category的方法、属性、协议数据，合并到一个大数组中
  后面参与编译的Category数据，会在数组的前面

- 将合并后的分类数据（方法、属性、协议），插入到类原来数据的前面

Category的底层结构

image.png

八.Load

+load方法会在runtime加载类、分类时调用

每个类、分类的+load，在程序运行过程中只调用一次

调用顺序
1. 先调用类的+load   
    按照编译先后顺序调用（先编译，先调用）
    调用子类的+load之前会先调用父类的+load

2.再调用分类的+load
    按照编译先后顺序调用（先编译，先调用）

九.Initialze

+initialize方法会在类第一次接收到消息时调用

- 调用顺序
    先调用父类的+initialize，再调用子类的+initialize
    (先初始化父类，再初始化子类，每个类只会初始化1次)

- +initialize和+load的很大区别是，+initialize是通过objc_msgSend进行调用的，所以有以下特点
    如果子类没有实现+initialize，会调用父类的+initialize（所以父类的+initialize可能会被调用多次）
    如果分类实现了+initialize，就覆盖类本身的+initialize调用

十.Categroy 添加属性

默认情况下，因为分类底层结构的限制，不能添加成员变量到分类中。但可以通过关联对象来间接实现

关联对象提供了以下API
添加关联对象
void objc_setAssociatedObject(id object, const void * key,
                                id value, objc_AssociationPolicy policy)

获得关联对象
id objc_getAssociatedObject(id object, const void * key)

移除所有的关联对象
void objc_removeAssociatedObjects(id object)


key的常见用法

static void *MyKey = &MyKey;
objc_setAssociatedObject(obj, MyKey, value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC)
objc_getAssociatedObject(obj, MyKey)

static char MyKey;
objc_setAssociatedObject(obj, &MyKey, value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC)
objc_getAssociatedObject(obj, &MyKey)

使用属性名作为key
objc_setAssociatedObject(obj, @"property", value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC);
objc_getAssociatedObject(obj, @"property");

使用get方法的@selecor作为key
objc_setAssociatedObject(obj, @selector(getter), value, OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC)
objc_getAssociatedObject(obj, @selector(getter))

关联对象的原理

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十一.Block

11.1 Block 本质

block本质上也是一个OC对象，它内部也有个isa指针
block是封装了函数调用以及函数调用环境的OC对象

block的底层结构如下图所示

image.png

block的变量捕获（capture）
为了保证block内部能够正常访问外部的变量，block有个变量捕获机制

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11.2 Block分类

block有3种类型，可以通过调用class方法或者isa指针查看具体类型，最终都是继承自NSBlock类型
__NSGlobalBlock__ （ _NSConcreteGlobalBlock ） 全局 block   没有访问auto变量
__NSStackBlock__ （ _NSConcreteStackBlock ）   栈 block     访问了auto变量
__NSMallocBlock__ （ _NSConcreteMallocBlock ） 堆 block     __NSStackBlock__调用了copy

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11.3 Block copy

在ARC环境下，编译器会根据情况自动将栈上的block复制到堆上，比如以下情况
-block作为函数返回值时
-将block赋值给__strong指针时
-block作为Cocoa API中方法名含有usingBlock的方法参数时
-block作为GCD API的方法参数时

MRC下block属性的建议写法
-@property (copy, nonatomic) void (^block)(void);

ARC下block属性的建议写法
-@property (strong, nonatomic) void (^block)(void);
-@property (copy, nonatomic) void (^block)(void);

11.4 __Block修饰符

__block可以用于解决block内部无法修改auto变量值的问题
__block不能修饰全局变量、静态变量（static）

编译器会将__block变量包装成一个对象

image.png

11.5 __Block内存管理

当block在栈上时，并不会对__block变量产生强引用

当block被copy到堆时
会调用block内部的copy函数
copy函数内部会调用_Block_object_assign函数
_Block_object_assign函数会对__block变量形成强引用（retain）

当block从堆中移除时
会调用block内部的dispose函数
dispose函数内部会调用_Block_object_dispose函数
_Block_object_dispose函数会自动释放引用的__block变量（release）

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11.6 Block 循环引用

 arc    用__weak、__unsafe_unretained解决
 mrc   用__Block、__unsafe_unretained解决

11.7 __unsafe_unretained

unsafe / 不安全   unretained/不引用
也可以解决循环引用,但是 指向对象销魂,指针存储地址不变,所以不推荐使用.__weak 会自动将指针变量设置为 nil     .__Block也可以解决循环引用,需要手动将引用的对象设置 nil,手动解决循环引用

MRC 下通过 __unsafe_unretained解决 或者__block 解决 __Block 修饰以后,Block 内部不会对引用对象进行强引用,计数器不会+1

十二.Runtime

12.1 runtime介绍

Objective-C是一门动态性比较强的编程语言，跟C、C++等语言有着很大的不同
Objective-C的动态性是由Runtime API来支撑的
Runtime API提供的接口基本都是C语言的，源码由C\C++\汇编语言编写

12.2 isa 详解

在arm64架构之前，isa就是一个普通的指针，存储着Class、Meta-Class对象的内存地址
从arm64架构开始，对isa进行了优化，变成了一个共用体（union）结构，还使用位域来存储更多的信息

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12.3 isa详解 – 位域

image.png

12.4 &(按位与符号介绍)

& 都是1才是1, 一个1,就是0
0000&0010  可以取出某一个特定位数值

掩码: 用来按位与(&)运算的  
1<<0  左移0位 则为0b 0000 0001
1<<1  左移1位 则为0b 0000 0010
1<<2  左移2位 则为0b 0000 0400
1左移几位

12.5 |(按位或)

| 有1才是1, 一个1,就是1,2个0就是0
0000 | 0010 结果就是 0010

12.6 ~(按位取反)

~  0000 1010 取反位1111 0101

12.7 位域

struct{
    char tall : 1; //表示只占一位 
    char rich : 1;
    char handsome: 1
} test   // 0b0000 0111

12.8 共用体

unioc{
  char bits;
  
  struct{
    char tall : 1; 
    char rich : 1;
    char handsome: 1
   } test    

}

12.9 Class的结构

image.png

12.10 class_rw_t

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12.11 class_ro_t

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12.12 method_t

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12.13 方法缓存

Class内部结构中有个方法缓存（cache_t），用散列表（哈希表）来缓存曾经调用过的方法，可以提高方法的查找速度

image.png


缓存查找
objc-cache.mm
bucket_t * cache_t::find(cache_key_t k, id receiver)

12.14 runtime objc_msgSend() 消息机制

objc_msgSend(对象,sel_registerName(方法名字字符串))
//  消息接收者(receiver)
//  消息名称
    
//  OC的方法调用: 消息机制,给方法调用者发送消息
    
内部执行分3大阶段
1. 消息发送
2. 动态方法解析
3. 消息转发

12.15 消息发送过程

1.通过方法名字去 类对象 方法缓存中查找,如果有则返回方法地址
2.如果没有缓存,则会遍历 方法列表查找
3.查到了方法返回,并添加到 缓存列表
4.如果没找到则会去父类缓存中查找,在去父类方法列表中查找,一层一层父类往上找

objc_msgSend执行流程01-消息发送

image.png

12.16 动态方法解析

1.如果 消息发送 未找到方法,则会进行动态方法解析
2.如果是 对象方法调用会 调用_class_resoveInstanceMethod()
如果是 类方法调用 调用 _class_resoveClassMethod()
3.+(BOOL)ResoveInstanceMethod:(SEL) sel{
  // 获取其他方法
  Method method = class_getInstanceMethod(self,@selector(test));
     
  //动态添加方法
  class_addMethod(self,
                  @selecetor(test),
                  method_getImplementation(method),
                  method_getTypeEndcoing(method));
                  
   return YES;
  
}
类方法同理

image.png

动态添加方法

image.png

12.17 消息转发

// 消息转发-
-(id)forwardTargetForSelector:(SEL) aSelector{
    //  判断方法名字
    if(aSelector == @selector(test)){
        //转发给哪个对象解决
        return [NSPerson alloc]init];
    }
}
    
// 消息转发- 方法签名,返回值类型,参数类型

- (NSMethodSignature *)methodSignatureForSelector:(SEL)aSelector {
    if(aSelector == @selector(testMethod))
    {
        return [NSMethodSignature signatureWithObjCTypes:"v@:"];
    }
    return nil;
}
 
 
-(void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation
{
    if (anInvocation.selector == @selector(testMethod))
    {
        TestModelHelper1 *h1 = [[TestModelHelper1 alloc] init];
        TestModelHelper2 *h2 = [[TestModelHelper2 alloc] init];
        [anInvocation invokeWithTarget:h1];
        [anInvocation invokeWithTarget:h2];
    }
}

image.png

12.18 [self class] & [super class]

[super message] 消息接受者还是子类,方法寻找是从父类查找的
super调用，底层会转换为objc_msgSendSuper2函数的调用，接收2个参数
struct objc_super2
SEL

image.png

receiver是消息接收者
current_class是receiver的Class对象

12.19 Runtime的应用01 – 查看私有成员变量

image.png

12.20 Runtime的应用02 – 字典转模型

利用Runtime遍历所有的属性或者成员变量
利用KVC设值

12.21 runtime 方法交换

class_replaceMethod
method_exchangeImplementations

image.png

12.22.常用 api

12.22.1Runtime API01 – 类

动态创建一个类（参数：父类，类名，额外的内存空间）
Class objc_allocateClassPair(Class superclass, const char *name, size_t extraBytes)

注册一个类（要在类注册之前添加成员变量）
void objc_registerClassPair(Class cls) 

销毁一个类
void objc_disposeClassPair(Class cls)

获取isa指向的Class
Class object_getClass(id obj)

设置isa指向的Class
Class object_setClass(id obj, Class cls)

判断一个OC对象是否为Class
BOOL object_isClass(id obj)

判断一个Class是否为元类
BOOL class_isMetaClass(Class cls)

获取父类
Class class_getSuperclass(Class cls)

12.22.2Runtime API02 – 成员变量

获取一个实例变量信息
Ivar class_getInstanceVariable(Class cls, const char *name)

拷贝实例变量列表（最后需要调用free释放）
Ivar *class_copyIvarList(Class cls, unsigned int *outCount)

设置和获取成员变量的值
void object_setIvar(id obj, Ivar ivar, id value)
id object_getIvar(id obj, Ivar ivar)

动态添加成员变量（已经注册的类是不能动态添加成员变量的）
BOOL class_addIvar(Class cls, const char * name, size_t size, uint8_t alignment, const char * types)

获取成员变量的相关信息
const char *ivar_getName(Ivar v)
const char *ivar_getTypeEncoding(Ivar v)

12.22.3Runtime API03 – 属性

获取一个属性
objc_property_t class_getProperty(Class cls, const char *name)

拷贝属性列表（最后需要调用free释放）
objc_property_t *class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount)

动态添加属性
BOOL class_addProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes,
                  unsigned int attributeCount)

动态替换属性
void class_replaceProperty(Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes,
                      unsigned int attributeCount)

获取属性的一些信息
const char *property_getName(objc_property_t property)
const char *property_getAttributes(objc_property_t property)

12.22.4Runtime API04 – 方法

获得一个实例方法、类方法
Method class_getInstanceMethod(Class cls, SEL name)
Method class_getClassMethod(Class cls, SEL name)

方法实现相关操作
IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL name) 
IMP method_setImplementation(Method m, IMP imp)
void method_exchangeImplementations(Method m1, Method m2) 

拷贝方法列表（最后需要调用free释放）
Method *class_copyMethodList(Class cls, unsigned int *outCount)

动态添加方法
BOOL class_addMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)

动态替换方法
IMP class_replaceMethod(Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types)

获取方法的相关信息（带有copy的需要调用free去释放）
SEL method_getName(Method m)
IMP method_getImplementation(Method m)
const char *method_getTypeEncoding(Method m)
unsigned int method_getNumberOfArguments(Method m)
char *method_copyReturnType(Method m)
char *method_copyArgumentType(Method m, unsigned int index)

选择器相关
const char *sel_getName(SEL sel)
SEL sel_registerName(const char *str)

用block作为方法实现
IMP imp_implementationWithBlock(id block)
id imp_getBlock(IMP anImp)
BOOL imp_removeBlock(IMP anImp)

十三.runloop

13.1 runloop 简介

运行循环-在程序运行中循环做一些事情

image.png

应用范畴
定时器（Timer）、PerformSelector
GCD Async Main Queue
事件响应、手势识别、界面刷新
网络请求
AutoreleasePool

13.2 runloop 基本作用

RunLoop的基本作用
保持程序的持续运行
处理App中的各种事件（比如触摸事件、定时器事件等）
节省CPU资源，提高程序性能：该做事时做事，该休息时休息
......

13.3 Runloop 对象

iOS中有2套API来访问和使用RunLoop
Foundation：NSRunLoop

Core Foundation：CFRunLoopRef

NSRunLoop和CFRunLoopRef都代表着RunLoop对象
NSRunLoop是基于CFRunLoopRef的一层OC包装
CFRunLoopRef是开源的
https://opensource.apple.com/tarballs/CF/

image.png

13.4 runloop 和线程关系

每条线程都有唯一的一个与之对应的RunLoop对象

RunLoop保存在一个全局的Dictionary里，线程作为key，RunLoop作为value

线程刚创建时并没有RunLoop对象，RunLoop会在第一次获取它时创建

RunLoop会在线程结束时销毁

主线程的RunLoop已经自动获取（创建），子线程默认没有开启RunLoop

13.5 获取RunLoop对象

Foundation
[NSRunLoop currentRunLoop]; // 获得当前线程的RunLoop对象
[NSRunLoop mainRunLoop]; // 获得主线程的RunLoop对象

Core Foundation
CFRunLoopGetCurrent(); // 获得当前线程的RunLoop对象
CFRunLoopGetMain(); // 获得主线程的RunLoop对象

13.6 runloop 相关类

image.png

13.7 CFRunloopModeRef 模式

CFRunLoopModeRef代表RunLoop的运行模式

一个RunLoop包含若干个Mode，每个Mode又包含若干个Source0/Source1/Timer/Observer

RunLoop启动时只能选择其中一个Mode，作为currentMode

如果需要切换Mode，只能退出当前Loop，再重新选择一个Mode进入
- 不同组的Source0/Source1/Timer/Observer能分隔开来，互不影响

如果Mode里没有任何Source0/Source1/Timer/Observer，RunLoop会立马退出

常见的2种Mode
kCFRunLoopDefaultMode（NSDefaultRunLoopMode）：App的默认Mode，通常主线程是在这个Mode下运行

UITrackingRunLoopMode：界面跟踪 Mode，用于 ScrollView 追踪触摸滑动，保证界面滑动时不受其他 Mode 影响

image.png

添加Observer监听RunLoop的所有状态

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13.8 运行逻辑

image.png

13.9 RunLoop在实际开中的应用

控制线程生命周期（线程保活）

解决NSTimer在滑动时停止工作的问题

监控应用卡顿

性能优化

13.10 线程保活(常驻线程)

runloop 如果没有任何 source/source0 timer/observer 就会退出

iOS | 底层原理分析 (一)

一. OC对象本质

1.1 OC对象数据结构

二. OC对象的分类

2.1 instance对象 (实例对象)

2.2 Class对象 (类对象)

2.3 meta-Class 元类对象

三. isa指针 & superclass指针

3.1 isa 指针

3.2 superClass 指针

3.3 isa 和 superClass 总结

四.窥探struct objc_class的结构

五. KVO 原理及实现

六. KVC 原理及实现

七. Categroy

八.Load

九.Initialze

十.Categroy 添加属性

十一.Block

11.1 Block 本质

11.2 Block分类

11.3 Block copy

11.4 __Block修饰符

11.5 __Block内存管理

11.6 Block 循环引用

11.7 __unsafe_unretained

十二.Runtime

12.1 runtime介绍

12.2 isa 详解

12.3 isa详解 – 位域

12.4 &(按位与符号介绍)

12.5 |(按位或)

12.6 ~(按位取反)

12.7 位域

12.8 共用体

12.9 Class的结构

12.10 class_rw_t

12.11 class_ro_t

12.12 method_t

12.13 方法缓存

12.14 runtime objc_msgSend() 消息机制

12.15 消息发送 过程

12.16 动态方法解析

12.17 消息转发

12.18 [self class] & [super class]

12.19 Runtime的应用01 – 查看私有成员变量

12.20 Runtime的应用02 – 字典转模型

12.21 runtime 方法交换

12.22.常用 api

12.22.1Runtime API01 – 类

12.22.2Runtime API02 – 成员变量

12.22.3Runtime API03 – 属性

12.22.4Runtime API04 – 方法

十三.runloop

13.1 runloop 简介

13.2 runloop 基本作用

13.3 Runloop 对象

13.4 runloop 和线程关系

13.5 获取RunLoop对象

13.6 runloop 相关类

13.7 CFRunloopModeRef 模式

13.8 运行逻辑

13.9 RunLoop在实际开中的应用

13.10 线程保活(常驻线程)

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