六 OC 底层原理类的结构

作者: 可乐冒气 | 来源:发表于2020-12-14 23:06 被阅读0次

前言

当一个相同的类创建多个对象时，那么这么对象的类是不是创建了多个呢

Class d1 = [Desk class];
Class d2 = [Desk alloc].class;
Class d3 =  object_getClass([Desk alloc]);
Class d4 = [Desk alloc].class;
NSLog(@"%p - %p - %p - %p", d1, d2, d3, d4);

--------------
Room[42703:2055484] 0x1000080f0 - 0x1000080f0 - 0x1000080f0 - 0x1000080f0

类对象地址显然相同，所以 类在内存空间中只存了一份

回顾

上篇我们知道类在底层一个继承于 objc_object 的对象，也就是object_class 结构体

//截取其中一部分
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);
    }

    void setInfo(uint32_t set) {
        ASSERT(isFuture()  ||  isRealized());
        data()->setFlags(set);
    }
}

我们知道 objc_class 第一个内存是 isa，superclass 存储的父类信息，占据8个字节，cache 缓存占用 16 字节， bits 存储了类的方法，属性，协议等信息的地方，具体的注释表示 class_data_bits_t 相当于 class_rw_t 指针加上 rr/alloc 的标识

class_data_bits_t结构体返回了 class_rw_t 指针,那 class_rw_t 又是什么呢?

就在代码旁简单谢谢介绍

struct class_rw_t {
    // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
    uint32_t flags;
    uint16_t witness;
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    uint16_t index;
#endif

    explicit_atomic<uintptr_t> ro_or_rw_ext;
    // 当前所属类 第一个子类
    Class firstSubclass;
    // 当前所有类 的兄弟类
    Class nextSiblingClass;

private:
    // ro_or_rw_ext_t会有两种情况：
    // 1): 值是 class_ro_t *
    // 2): 值是 class_rw_ext_t *，
    //          而 class_ro_t * 作为 class_rw_ext_t 的 const class_ro_t *ro 成员变量保存
    using ro_or_rw_ext_t = objc::PointerUnion<const class_ro_t *, class_rw_ext_t *>;
    const ro_or_rw_ext_t get_ro_or_rwe() const {
          return ro_or_rw_ext_t{ro_or_rw_ext};
    }
    ... 此处省略
}
// class_rw_ext_t 其中 rw 可以理解为 read write
struct class_rw_ext_t {
    // 存放只读类型
    const class_ro_t *ro;
    // 方法列表
    method_array_t methods;
    // 属性列表
    property_array_t properties;
    // 协议列表
    protocol_array_t protocols;
    // 所属类名
    char *demangledName;
    // 版本号
    uint32_t version;
};

// class_ro_t 其中 ro 可以理解为 read only
struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif

    const uint8_t * ivarLayout;
    
    const char * name;
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;
    ... 此处省略
};

可以看出 class_rw_t 存放者类的属性协议方法等信息

现在我们验证一下类的成员变量属性存储的位置

准备

@interface TObject : NSObject
{
    NSString *tname;
}
@property (nonatomic, copy) NSString* toName;

+ (void) classMethodTest;
- (void) instanceMethodTest;
@end

@implementation TObject
+(void)classMethodTest{
    NSLog(@"%s",__func__);
}
-(void)instanceMethodTest{
    NSLog(@"%s",__func__);
}
@end

成员变量 / 属性存储的位置

接下我我们就要利用 lldb 调试一步一步验证

我们先要获取类对象的内存地址，通过类结构分析 class_data_bits_t bits 字段之前还有32 字节
所以我们需要通过内存便宜获取 bits的内存地址
在这我们介绍一个命令 x/5gx 其中第一个 x 表示读取内存，5表示分成5段，g 表示一个单元8个字节，x 表示16进制, 所以其中第5个地址就是 bits 的地址

(lldb) p obj1.class
(Class) $0 = TObject
(lldb) x/5gx $0
0x1000021f0: 0x00000001000021c8 0x0000000100333140
0x100002200: 0x00000001018335c0 0x0001802400000007
0x100002210: 0x00000001006656a4
(lldb)

我们现在需要将地址强转为 class_data_bits_t 类型,并通过 data() 函数获取 class_rw_t

(lldb) p (class_data_bits_t*)0x100002210
(class_data_bits_t *) $1 = 0x0000000100002210
(lldb) p $1->data()
(class_rw_t *) $2 = 0x000020a000000000
(lldb) p *$2
(class_rw_t) $3 = {
  flags = 2148007936
  witness = 1
  ro_or_rw_ext = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = 4294975648
  }
  firstSubclass = nil
  nextSiblingClass = NSUUID
}

此时我们调用class_rw_t 结构体中的 properties() 获取属性列表，可以看到属性名称 toName

(lldb) p $3.properties()
(const property_array_t) $4 = {
  list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002198
      arrayAndFlag = 4294975896
    }
  }
}
(lldb) p $4.list
(property_list_t *const) $5 = 0x0000000100002198
p *$5
(property_list_t) $6 = {
  entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> = {
    entsizeAndFlags = 16
    count = 1
    first = (name = "toName", attributes = "T@\"NSString\",C,N,V_toName") // 其中 C 代Copy，N 代表 nonatomic
  }
}

此时我们的成员变量又去哪了呢，接下来我们接着调用 class_rw_t 的 ro属性,并获取 ro 的 ivar

(lldb) p $3.ro()
(const class_ro_t *) $9 = 0x00000001000020a0
(lldb) p $9->ivars
(const ivar_list_t *const) $10 = 0x0000000100002150
(lldb) p *$10
(const ivar_list_t) $12 = {
  entsize_list_tt<ivar_t, ivar_list_t, 0> = {
    entsizeAndFlags = 32
    count = 2
    first = {
      offset = 0x00000001000021c0  // 偏移量
      name = 0x0000000100000eb9 "tname" // 名称
      type = 0x0000000100000f8a "@\"NSString\"" // 类型
      alignment_raw = 3 // 8字节对齐
      size = 8 // 内存占用大小
    }
  }
}

由此可见我们的 属性是存在 class_rw_t 中的 属性列表中的,而成员变量是存储在 class_ro_t 中的 ivars ，成员变量列表中的

实例方法 / 类方法的存储位置

接着上面的调用，我们先获取class_rw_t的方法列表 methods(),在读取列表信息

(lldb) p $3.methods()
(const method_array_t) $7 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
     = {
      list = 0x00000001000020e0
      arrayAndFlag = 4294975712
    }
  }
}
(lldb) p $7.list
(method_list_t *const) $8 = 0x00000001000020e0
(lldb) p *$8
(method_list_t) $9 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
    entsizeAndFlags = 26
    count = 3
    first = {
      name = "instanceMethodTest"
      types = 0x0000000100000f34 "v16@0:8"
      imp = 0x0000000100000db0 (Objc_alloc`-[TObject instanceMethodTest])
    }
  }
}
(lldb)

由此可见我们的实例方法确实是存储在 class_rw_t 中的方法列表中的

现在找找我们的类方法存到哪了，先看看 class_ro_t 中的baseMethodList

lldb) p $3.ro()
(const class_ro_t *) $10 = 0x0000000100002098
(lldb) p $10->baseMethodList
(method_list_t *const) $12 = 0x00000001000020e0
(lldb) p *$12
(method_list_t) $13 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
    entsizeAndFlags = 26
    count = 3
    first = {
      name = "instanceMethodTest"
      types = 0x0000000100000f34 "v16@0:8"
      imp = 0x0000000100000db0 (Objc_alloc`-[TObject instanceMethodTest])
    }
  }
}
(lldb)

我们看到在 class_ro_t 中的方法列表中，还是存储着我们的实例方法信息
那我们的类方法到底去哪了呢，通过 isa 的继承关系推导，会不会在我们的元类中呢

现在我们开始获取元类地址，然后获取元类的 class_rw_t 中的方法列表中，流程和上面的是一样的

(lldb) p objc_getMetaClass(object_getClassName(obj1))
(Class) $14 = 0x00000001000021a8
(lldb) x/5gx $14
0x1000021a8: 0x00000001003330f0 0x00000001003330f0
0x1000021b8: 0x0000000101925020 0x0001e03500000007
0x1000021c8: 0x00000001006ce2e4
(lldb) p (class_data_bits_t*)0x1000021c8
(class_data_bits_t *) $15 = 0x00000001000021c8
(lldb) p $15->data()
(class_rw_t *) $17 = 0x00000001006ce2e0
(lldb) p *$17
(class_rw_t) $18 = {
  flags = 2684878849
  witness = 1
  ro_or_rw_ext = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = 4294975536
  }
  firstSubclass = nil
  nextSiblingClass = 0x00007fff89e08cf8
}
(lldb) p $18.methods
(const method_array_t) $19 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002078
      arrayAndFlag = 4294975608
    }
  }
}
  Fix-it applied, fixed expression was: 
    $18.methods()
(lldb) p $19.list
(method_list_t *const) $20 = 0x0000000100002078
(lldb) p *$20
(method_list_t) $21 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
    entsizeAndFlags = 26
    count = 1
    first = {
      name = "classMethodTest"
      types = 0x0000000100000f34 "v16@0:8"
      imp = 0x0000000100000d80 (Objc_alloc`+[TObject classMethodTest])
    }
  }
}
(lldb)

由此可见我们的类方法是存储在对象所属类的元类当中的方法列表中

总结

这是一张类的结构图

image.png

方法
- 实例方法确实是存储在 class_rw_t 中的methods中的
- 类方法存储在当前对象所属类的元类中的 class_rw_t 中的methods 中
属性
- 对象属性 -> class_rw_t中的properties中
- 成员变量 -> class_rw_t -> class_ro_t *ro -> ivars

补充 - 验证以上

例1 通过class_getInstanceMethod 获取类的实例方法

Class class = TObject.class;
const char *className = class_getName(class);
Class metaClass = objc_getMetaClass(className);
 // ---  class_getInstanceMethod
Method method1 = class_getInstanceMethod(class, @selector(instanceMethodTest));
Method method2 = class_getInstanceMethod(metaClass, @selector(instanceMethodTest));

Method method3 = class_getInstanceMethod(class, @selector(classMethodTest));
Method method4 = class_getInstanceMethod(metaClass, @selector(classMethodTest));
        
NSLog(@"class_getInstanceMethod - %p-%p-%p-%p",method1,method2,method3,method4);
===========
 TObjc[4080:382660] class_getInstanceMethod - 0x100003d51-0x0-0x0-0x100003d39

class_getInstanceMethod返回的是类的实例方法，如果类或者父类中没有找到，就返回nil

/***********************************************************************
* class_getInstanceMethod.  Return the instance method for the
* specified class and selector.
**********************************************************************/
Method class_getInstanceMethod(Class cls, SEL sel)
{
    if (!cls  ||  !sel) return nil;

    // This deliberately avoids +initialize because it historically did so.

    // This implementation is a bit weird because it's the only place that 
    // wants a Method instead of an IMP.

#warning fixme build and search caches
        
    // Search method lists, try method resolver, etc.
    lookUpImpOrForward(nil, sel, cls, LOOKUP_RESOLVER);

#warning fixme build and search caches

    return _class_getMethod(cls, sel);
}

以上 method1 和 method4 是有值的，进一步验证了实例方法存在类中，类方法存在元类中，
也给了我们另一个定义也就是说类方法，对于元类来说其实就是一个实例方法

例2 获取类方法 class_getClassMethod

// ---  class_getClassMethod
Method method5 = class_getClassMethod(class, @selector(instanceMethodTest));
Method method6 = class_getClassMethod(metaClass, @selector(instanceMethodTest));

Method method7 = class_getClassMethod(class, @selector(classMethodTest));
Method method8 = class_getClassMethod(metaClass, @selector(classMethodTest));
        
NSLog(@"class_getClassMethod - %p-%p-%p-%p",method5,method6,method7,method8);
========
2020-12-15 21:54:56.966095+0800 TObjc[4080:382660] class_getClassMethod - 0x0-0x0-0x100003d39-0x100003d39

class_getClassMethod 这个方法其实就是使用元类获取实例方法

Method class_getClassMethod(Class cls, SEL sel)
{
    if (!cls  ||  !sel) return nil;

    return class_getInstanceMethod(cls->getMeta(), sel);
}
Class getMeta() {
  if (isMetaClass()) return (Class)this;
  else return this->ISA();
}

其实都是走的class_getInstanceMethod 函数，method7 之所以会有值，也是因为 getMeta()这个函数返回元类的原因，然而当传入的是元类的话就会返回本身，这也就意味着 method7和method8其实是一样的

3.例3 获取方法实现class_getMethodImplementation

// 寻找方法实现 class_getMethodImplementation
IMP imp1 = class_getMethodImplementation(class, @selector(instanceMethodTest));
IMP imp2 = class_getMethodImplementation(metaClass, @selector(instanceMethodTest));

IMP imp3 = class_getMethodImplementation(class, @selector(classMethodTest));
IMP imp4 = class_getMethodImplementation(metaClass, @selector(classMethodTest));
NSLog(@" class_getMethodImplementation %p-%p-%p-%p",imp1,imp2,imp3,imp4);

=======
2020-12-15 21:54:56.966114+0800 KCObjc[4080:382660]  class_getMethodImplementation 0x100003ab4-0x199ce6600-0x199ce6600-0x100003a7c

其中有一个很重要的东西 _objc_msgForward 消息转发

IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL sel)
{
    IMP imp;

    if (!cls  ||  !sel) return nil;

    imp = lookUpImpOrNil(nil, sel, cls, LOOKUP_INITIALIZE | LOOKUP_RESOLVER);

    // Translate forwarding function to C-callable external version
    if (!imp) {
        return _objc_msgForward;
    }

    return imp;
}

所以 imp2 和 imp3 是没有找到的，只是进行了消息转发，所以打印都是有值的

class_getInstanceMethod：返回的是类的实例方法，如果在传入的类或者类的父类中没有找到指定的实例方法，则返回空。
class_getClassMethod：获取类方法，本质上还是调用 class_getInstanceMethod,不过在这其中的参数变成了元类，如果传入的类或者父类中对应的元类中没有找到，那就返回空
class_getMethodImplementation: 寻找方法实现，如果在对应的类，或者元类中没有找到，那就进行消息转发

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实例方法 / 类方法的存储位置

总结

补充 - 验证以上

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