iOS底层探索 --- 类的结构探索（上）

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今天我们将进行类的结构体的探索，其中有些内容我们在iOS底层探索 ---Runtime（一）--- 基础知识有做过探索。不过没关系，今天我们再来回顾一下。

本章我们将探索一下内容：

1、类的结构（类，元类，根类之间的关系）

2、objc_object & objc_class

3、类中信息的探索

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1、类的结构（类，元类，根类之间的关系）

1.1 类（Class）

我们都知道，我们创建的类基本上都继承自NSObject，而NSObject里面有一个默认参数isa；也就是说，继承自NSObject的类里面都会有一个isa。如下：

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假设我们现在有一个Person类，那么Person对象的首地址就是isa地址，同样的isa也代表当前的类：

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1.2 元类（Meta Class）

这个时候，我们如果继续查看类地址，会打印什么呢？下面我们就来尝试一下：

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可以看到，继续打印类地址，输出的是类的内存分布。
我们还可以通过x Person.class来查看类的内存分布： image

• 此时有一点大家注意了，我们在上面通过isa打印出来了Person。对应的类地址是0x00000001000080e8。
• 同时我们还打印出了类的内存分布信息。如果我们继续打印类的内存分布信息的首地址，会发生什么呢？打印结果如下：

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大家可以看到，此时我们同样打印出了Person。这就奇怪了！！！

• 第一点：首先我们通过isa打印出Person，这一点相信大家没有什么问题。（有疑问的同学可以参考这一篇文章iOS底层探索 --- OC对象原理（下））

• 第二点：为什么我们通过0x1000080e8也能都打印出Person呢？明明是两个不同的地址呀！！！这里就要引出元类(Meta Class)这个知识点了

1、Meta Class(元类)就是类对象所属的类。一个对象所属的类叫做类对象，而一个类对象所属的类就叫做元类。

2、Meta Class(元类)的定义和创建，都是由编译器自动完成。

3、所有的类方法，都存储在Meta Class(元类)中。

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1.3 根类

在上面我们已经找到了Meta Class (元类)，那我们继续往下去寻找又会有什么发现呢？

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我们会发现，居然指向了NSObject。

此时我们我们如果执行p/x NSObject.class这句指令，打印出来的NSObject地址会是什么呢？

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此时有没有发现问题，NSObject的地址不一样呀。这是怎么回事呢？

这是因为p/x NSObject.class中打印的NSObject并不是根类，而是根元类。怎么证明呢？我们只需要打印一下NSObject.class的内存信息，就会看到起isa和上面打印的NSObject的地址是一样的。

换句话说，就是元类的isa 指向了根元类。

（注：严谨一点是要& ISA_MASK，这里由于isa中只有shifcls信息，可以直接看出来）。执行结果如下：

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• 此时我们已经跟踪到了根类元类，如果我们在根类元类的基础上，继续追踪，又会出现什么情况呢？那我们就继续试一下：
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  大家有没有发现，根类元类的isa指向了自己。

此时就回到我们在iOS底层探索 ---Runtime（一）--- 基础知识中探索过的那幅图：

[图片上传失败...(image-caaf2f-1624499873237)]

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1.4 类对象在内存中的个数

类对象在内存中，有且仅有一份！！！。
这也是一道经常被问到的面试题，下面我们来证明一下：
我们创建多个类对象，然后打印，看一下地址是否相同

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通过打印可以发现，虽然创建了多个类对象，但是地址都是一样的。因此我们可以说：类对象在内存中，有且仅有一份。

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1.5 类的继承关系的坑点

• 假设有一个类Man，继承自类Person；同时Man有一个对象m，Person有一个对象p。
  那么问：m和p有什么关系？
  答案：没有关系。（注意：一定不要说是继承关系）

• 我们都知道子类继承自父类，父类继承自根类。
  那么问：根类继承自什么？
  答案：根类的继承关系来自于nil。（注意：根类不是继承自自己）

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2 objc_object & objc_class

大家还记不记得，我们在iOS底层探索 --- OC对象原理（下）中，在我们转换mian.cpp文件中有这样一段代码：

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当时我们只是对objc_class和objc_object简单的讲解了一下。那么它们两个具体是什么样子的，又有什么样的关系呢？今天我们来详细的探索一下。

2.1 源码寻找

首先我们要在源码中去寻找objc_object和objc_class到底长什么样子。

• objc_class
  我们在源码中搜索objc_class的时候，会出现两个不同的定义，其中有一个是已经废弃的。

• 废弃的objc_class:
  

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• 新的objc_class（可以看到新的objc_class继承自objc_object）:

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);
   }

   ......
   ......
   ......
}

• objc_object
  同样的，在源码中搜索objc_object的时候，也搜索到两个
• 位于objc.h文件里面的：

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• 位于objc-privat.h文件里面的：

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通过main.cpp文件，我们可以确定，使用的是objc.h里面的objc_object（看注释，这个是给类的实例对象用的）。

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2.2 objc_class 和 objc_object之间的关系

1. 结构体objc_class继承自结构体objc_object。

2. objc_object有一个isa属性，所以objc_class也有一个isa。（在新的objc_class中有一段注释// Class ISA;，也从侧面表现了这一点。）

3. NSObject也拥有isa。因为NSObject在底层的表现形式就是objc_object。或者说，所有的NSObject对象，都拥有isa。

大家在捋这层关系的时候，要注意objc_object在源码中有两个定义，使用的范围也不一样。不要搞混了，不然会陷入死循环。

注意：objc_class继承的是objc-privat.h里面的objc_object

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3 类中信息的探索

在日常开发过程中，我们定义一个类的时候，不仅仅是只有isa，还会有成员变量，方法等等一些信息。下面我们我们就来看一下这些信息在哪里。

3.1 内存平移，获取bits信息

在探索类里面信息之前，我们要先达成一个共识，内存的查找是内存平移来获得的。也就是说objc_class里面的变量，是通过内存平移来获得的。举个例子如下：

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在objc_class中，isa为8字节，superclass也为8字节；我们不知道的是cache的内存大小。那么关键的就是获取cache的内存大小。

下面我们就来探索一下cache的大小，首先进入cache_t:

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发现代码有很长，这个时候要怎么确定cache的大小呢？

注意：大家不要看到cache_t是一个结构体，就觉得cache是8字节。

结构体指针是8字节。

结构体的大小要根据其内部的属性来计算。

计算的时候只计算属性，方法不算，静态的属性也不计算

通过上面我们就可以确定，cache内存大小的计算，只需要计算其中四个属性的大小（因为有if判断，大家可以仔细阅读以下这段源码。）：

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• _buckets的类型为struct bucket_t *，是一个结构体指针；所以为8字节。

• _mask的类型为mask_t，mask_t是unsigned int的别名；所以为4字节。
  

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• _maskAndBuckets的类型为uintptr_t，mask_t是unsigned long的别名；所以为8字节。
  

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• uint16_t是unsigned short的别名；所以为2字节

整体算下来之后，cache的内存大小为8 + 4 + 2 + 2 = 16

那么bits的内存地址，就是首地址平移32个字节（8 + 8 + 16）

接下来我们就可以通过控制台打印一下bits信息了：

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到这里，我们已经拿到了bits里面的信息了；但是我们并没有看到我们想要的成员变量，方法等等的信息。

不要灰心，下面我们继续探索。

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3.2 继续探索类信息

3.2.1 method（方法）

上面我们知道bits的类型是class_data_bits_t，那么我们就跟进去找一下data：

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继续跟进class_rw_t(这个里有个小技巧，我们可以先找method相关的内容，其他看不懂的内容可以忽略)，我们发现了这个:

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这就是我们要找的内容呀，方法是存放在方法列表里面的，而这里正好是一个array。

• method_array_t
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这个时候，我们继续在控制台操作：

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我们给Person添加几个方法，再来查看一下： image

)

重复上面的步骤，此时可以看到methods里面有信息了：

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接下来就是去找我们的Method的了，这个控制台流程如下：

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这里面有一个big()方法，是因为在objc4-818.2的版本中，method_list_t里面的元素是method_t，而method_t被重写了。

新的method_t长这个样子，我们要拿到方法名，就要通过big：

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而method_t里面正好有对应的big()方法：
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3.2.2 property(属性)

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这个跟探索method前期是一样的操作，只不过后面获取property的时候略有不同；因为property_t直接就有name相关的属性：

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整个控制台的操作如下：

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3.2.3 会遇到的一些问题

• 我们上面命名定义了属性jaxNum之外，还定义了一个成员变量NSString *jaxName，但是只能打印出一个jaxNum（打印第二个的时候，提示数组越界），因此我们可以说property_list里面没有成员变量：

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既然属性列表里面没有成员变量的信息，那我们就需要继续寻找了。

同样的bits->data()的返回类型是class_rw_t(注：上面已知)；那我们就在class_rw_t里面找。（正常来讲，优先查找methods()附近的方法）

查找过之后，我们会发现，成员变量ivar在这里：

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下面就看我们能不将成员变量打印出来了，打印流程如下：

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通过上图我们发现，最后怎么没办法执行get方法了呢？
没关系，$7没法用get，那我们就使用$6:

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最后成功打印成员变量jaxName。

• 在方法列表里面，找不到类方法
  我们都知道，类方法存储在元类中，因此在当前类的method_lit_t中是找不到对应的类方法的。

这个时候，我们既要去元类中寻找；同样的根据我们查找当前类的method_lidt_t的经验，我们在元类中也这样查找。查找流程如下：

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