iOS开发之runtime（2）：浅析NSObject对象的Cl

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前言

NSObject对象是iOS开发者都很熟悉的对象，它几乎是所有对象的根类。在任何.m文件中输入以下代码：

NSObject 

点击NSObject跳转到其定义文件，发现如下声明：

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}

其中#pragma clang diagnostic push用于去除警告，因此，我们能发现NSObject对象只有一个Class类型的成员变量：isa。
那么：

• 什么是isa
• 什么是Class类型，与class 方法有何区别

这篇文章将要给大家揭晓该问题。

我们知道任何一个类都有 class方法比如：

[NSObject class];

当然还有superclass方法：

[NSObject superclass];

更多和clas相关的方法列举如下：

- (BOOL)isKindOfClass:(Class)aClass;
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)aClass;

这两个方法相信大家都不陌生，只不过这两个方法位于@property NSObject中，但NSObject中还是有其实现的。所以我们有理由相信，NSObject中的成员变量isa是有特殊含义的，点击改成员变量的类型Class我们可以看到其定义：

typedef struct objc_class *Class;

继续点击objc_class：

struct objc_class : objc_object {
//这里省略成员变量以及方法...
}

再次点击objc_object：

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
//这里省略成员变量以及方法...
}

层次有点深，但大家只关注其结构即可：

Class本质是一个结构体。

关于结构体，大家应该都有所了解，这里再做个复习吧：
C语言和C++都支持结构体，只是C++的结构体基本上和类没有区别。以下是摘自知乎某答主：

结构体和类的区别
本质上来说结构体与类是同一个东西，可是默认情况下基于可读性的原因还是加一些区分：
结构体就只含数据成员和构造函数、析构函数，尽可能保持简单。
类则包含更多的非构造、析构成员函数，概念更大，用来描述普遍意义上的对象类型。

我们有理由相信：NSObject对象的各个方法，基本上是针对其结构体isa对象的操作。这里我们研究几个我们常用的方法：

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本文完整版详见笔者小专栏：https://xiaozhuanlan.com/runtime

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isMemberOfClass:

- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return [self class] == cls;
}

很简单，判断一下，当前的class方法是否等于参数。
因为self是NSObject对象，因此我们查看class方法：

- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}

点击object_getClass查看其定义：

Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

继续进入方法getIsa：

inline Class 
objc_object::getIsa() 
{
    if (!isTaggedPointer()) return ISA();

    uintptr_t ptr = (uintptr_t)this;
    if (isExtTaggedPointer()) {
        uintptr_t slot = 
            (ptr >> _OBJC_TAG_EXT_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_EXT_SLOT_MASK;
        return objc_tag_ext_classes[slot];
    } else {
        uintptr_t slot = 
            (ptr >> _OBJC_TAG_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_SLOT_MASK;
        return objc_tag_classes[slot];
    }
}

可以发现，越牵扯越深，阅读有点困难了。但大家别着急，我们可以屏蔽
if (!isTaggedPointer()) return ISA();
以下的代码，关于什么是TaggedPointer，笔者会在后面的文章中分析给大家。因此上面的代码可以先简化成：

inline Class 
objc_object::getIsa() 
{
    if (!isTaggedPointer()) return ISA();
}

继续研究ISA()方法：

inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    assert(!isTaggedPointer()); 
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    if (isa.nonpointer) {
        uintptr_t slot = isa.indexcls;
        return classForIndex((unsigned)slot);
    }
    return (Class)isa.bits;
#else
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
#endif
}

同样去掉暂时不需要我们理解的部分，简化代码如下：

inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
}

至此，我们可以看到class方法最终获取的即是：结构体objc_object的isa.bits & ISA_MASK的结果。
那，大家的疑问也会随之而来：

• inline 关键字作用，为何这里的几个方法实现都在.h文件中
• 在方法：objc_object::ISA() 中双冒号的作用。
• objc_object 中的isa又是什么
• isa.bits & ISA_MASK 的含义

inline关键字

用来定义一个类的内联函数，引入它的主要原因是用它替代C中表达式形式的宏定义。

也就是说，用inline关键字修饰的是内联函数，内联函数用于替代宏定义。取代宏定义的原因是：

1. C中使用define这种形式宏定义的原因是因为，C语言是一个效率很高的语言，这种宏定义在形式及使用上像一个函数，但它使用预处理器实现，没有了参数压栈，代码生成等一系列的操作,因此，效率很高，这是它在C中被使用的一个主要原因。
2. 这种宏定义在形式上类似于一个函数，但在使用它时，仅仅只是做预处理器符号表中的简单替换，因此它不能进行参数有效性的检测，也就不能享受C++编译器严格类型检查的好处，另外它的返回值也不能被强制转换为可转换的合适的类型，这样，它的使用就存在着一系列的隐患和局限性。
3. 在C++中引入了类及类的访问控制，这样，如果一个操作或者说一个表达式涉及到类的保护成员或私有成员，你就不可能使用这种宏定义来实现(因为无法将this指针放在合适的位置)。
4. inline 推出的目的，也正是为了取代这种表达式形式的宏定义，它消除了宏定义的缺点，同时又很好地继承了宏定义的优点。

双冒号

用于表示“域操作符”，例：声明了一个类A，类A里声明了一个成员函数void f()，但没有在类的声明里给出f的定义，那么在类外定义f时，就要写成void A::f()，表示这个f()函数是类A的成员函数。

objc_object 中的isa

之前我们已经写了objc_object的定义，可以知道，isa其实是一个isa_t的对象，那isa_t是什么呢，我们继续看一下它的实现：

union isa_t 
{
//这里省略很多变量
}

可以知道，isa_t是个联合体,也就是说：objc_object 中的isa其实是个结构体

isa.bits & ISA_MASK 含义

上面我们知道，isa是个联合体，其内部的属性bits呢？

union isa_t 
{
   //省略部分方法和属性...
    uintptr_t bits;

然后看uintptr_t实现：

typedef unsigned long       uintptr_t;

发现其是个unsigned long类型，而ISA_MASK的定义如下：

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
# else
#   error unknown architecture for packed isa
# endif

可知，其实ISA_MASK还是个数值类型。也就是说判断两个对象是否是同一个class其实是通过比对objc_object中的数值计算后得出的结果是否相等得出的。

讲完了 isMemberOfClass方法，isKindOfClass方法这里就不多做介绍了，给出其源代码即可：

isKindOfClass:

其实现如下：

+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = object_getClass((id)self); tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

总结

• Class类型本质是个结构体，该结构体中存储了该NSObject中的所有信息。
• 比对两个类是否是同一个类，其实是判断Class中的某个数值运算的结果是否相等。

本文完整版详见笔者小专栏：https://xiaozhuanlan.com/runtime