006--iOS底层 - 类的结构（属性、成员变量、方法的探索）

引言

上一篇讲到了内存偏移的知识和操作，接下来内存偏移将在本文用到具体的示例。我们对对象的探究已经了解了对象的底层结构，isa的走向和对象的继承链。本文将还原探究类内部结构的过程。

类的探索

一、寻找objc_class

在001-OC对象原理探究 - alloc这篇文章中，我们用到了objc源码环境调试。本文我们也在此基础上，探究类的结构。我们在对象的底层结构探索的时候，发现了类Class的底层为typedef struct objc_class *Class;也就是说，Class是一个结构体指针的别名。
具体寻找步骤：
1、objc源码调试环境工程，搜索Class {，在结果中我们得到runtime.h中的class结构：

image.png
2、这似乎就是我们要找的Class底层，但是看到#if !__OBJC2__以及OBJC2_UNAVAILABLE,才知道，整个结构体struct objc_class并不适用于objc2中（本文调试的环境的是objc4_818_2）
3、那么我们怎么找到正确的Class呢？请看框起来的注释/* UseClassinstead ofstruct objc_class **/
源码如下：

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

在此源码中，我们还得到一个信息：OC中id类型的底层竟然是typedef struct objc_object *id;，这就是为什么我们在定义id类型的变量时，不加*号的原因。
探索源码真的能学到很多！！！
4、搜索框输入struct objc_class，其中objc_runtime-new.h中的结果就是我们想要的，结果如下：

image.png

二、bits

上图的objc_class内部可知bits在Class superclass和cache_t cache之后。我们调试得到bits，需要上篇文章提到的内存偏移来得到。因此，我们需要知道偏移了多少字节，接下来我们开始探索Class superclass和cache_t cache的内存大小。
1、superclass是Class指针类型，因此superclass占8字节
2、cache_t为结构体类型，其内部结构如下：（由于我们需要知道结构体内存的大小，只需要知道其成员变量的大小即可，cache_t内部的static和方法函数均不影响结构体内存大小，因此以下源码为简化后的cache_t）：

struct cache_t {
private:
    explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask;
    union {
        struct {
            explicit_atomic<mask_t>    _maybeMask;
#if __LP64__
            uint16_t                   _flags;
#endif
            uint16_t                   _occupied;
        };
        explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache;
    };
}

3、分析
a）、_bucketsAndMaybeMask是explicit_atomic的泛型变量，因此实际大小为泛型的大小，即uintptr_t的大小，uintptr_t的源码为：typedef unsigned long uintptr_t;因此占8字节。
b）、union为共用体，内存大小为最大的成员的大小。
1）struct中，_maybeMask为mask_t，源码为typedef uint32_t mask_t;占4字节，uint16_t大小为2字节。结构体最大占用内存4 + 2 + 2 = 8字节
2）_originalPreoptCache为preopt_cache_t *，结构体指针类型，我们知道指针类型的大小为8字节。
3）其实换个角度来看，union中，我们只需要看_originalPreoptCache的大小即可知道union占用大小为8字节。
4、cache_t所占内存大小为：16字节。
到此为止，我们只需要或许到类的首地址后，将其平移isa:8 + superclass:8 + cache_t:16 = 32字节才能得到bits。简化后的objc_class源码如下：

struct objc_class : objc_object {
    Class ISA; //8字节
    Class superclass;// 8字节
    cache_t cache;             // 16字节
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
}

下面我们开始获取bits：
1、QLPerson设计如下：

@interface QLPerson : NSObject{
    NSString *fullName;
}
@property (nonatomic,copy) NSString *nickName;
@property (nonatomic,assign) NSInteger age;
- (void)test1;
+ (void)test1;
@end

2、对QLPerson类进行lldb调试
3、p *$2->data()为objc_class中的方法

class_rw_t *data() const {
   return bits.data();
}

image.png
但是似乎未能得到我们想要的东西。换种思路继续
4、我们继续objc_class向下翻找，治世之尊没有找到能看到类的属性和方法的关键词。后来看到bits后面的注释，我们要的东西是否在class_rw_t里。点进去终于看到了

const method_array_t methods() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext)->methods;
        } else {
            return method_array_t{v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext)->baseMethods()};
        }
    }

    const property_array_t properties() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext)->properties;
        } else {
            return property_array_t{v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext)->baseProperties};
        }
    }

    const protocol_array_t protocols() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext)->protocols;
        } else {
            return protocol_array_t{v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext)->baseProtocols};
        }
    }

methods()，properties()，protocols()这正是我们日思夜想的东西嘛。lldb调试如下：

image.png 由图可知：我们的@property声明的属性，均存在property_list_t中，用上图的lldb调试可以找到属性的值。但是问题来了，我们的方法和成员变量均未得到，它们放在哪儿呢？
补充：properties()返回类型为property_array_t，继承自list_array_tt，源码如下：

struct property_list_t : entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> {
};

说明：关于二维数组容器list_array_tt的知识请移步这篇文章
5、properties()探索结束，未能达到我们的目的，我们接着探索methods()

image.png
说明：我们用探索properties的方式来探索methods最终得到了该类的实例方法，getter setter方法，达到部分目的，因为，我们的+(void)test2还未出现。
6、methods()探索结束我们仍未找到类方法和成员变量ivar的存储位置，我们接着往下探索，在class_rw_t内找到一个ro()方法，源码如下：

const class_ro_t *ro() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (slowpath(v.is<class_rw_ext_t *>())) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>(&ro_or_rw_ext)->ro;
        }
        return v.get<const class_ro_t *>(&ro_or_rw_ext);
    }

class_ro_t内部部分源码为：

struct class_ro_t {
    void *baseMethodList;
    const ivar_list_t * ivars;

这个ivars操作如下：

image.png
到此为止，我们拿到了成员变量的存储位置已经搞清楚。

7、类方法探索，换种思路，实例方法也叫做对象方法。类方法似乎与对象无关，那么它是否在元类里呢？按照这个思路，我们对QLPerson的元类进行上面的查找操作：

image.png
由图可得到类方法存储在元类中。

总结

1、探索类的结构是一个漫长而复杂的过程，有些地方卡在那里，如果不转换思路，将进入死胡同。对类的探索，应该多借鉴前辈的肩膀，偶尔用上帝视角去解决遇到的难题。
2、存储位置：
类的首地址+0x20得到bits
bits->data()得到class_rw_t
a）获取类的属性(@property标记)：bits中的class_rw_t中的properties()
b）获取成员变量（类大括号内的声明）：bits中的class_rw_t中的ro()
c）获取实例方法（也叫对象方法-()）:bits中的class_rw_t中的methods()，每一项需要加.big()来打印
d）获取类方法（+()）：元类中的bits->class_rw_t->methods()，每一项需要加.big()来打印

3、以method_array_t为例，结构图如下：

image.png