iOS之Runtime（一）彻底搞清类和对象

作者: 我阿郑 | 来源:发表于2018-12-05 22:43 被阅读66次

Objective-C是基于动态运行时类型。C++程序编译时就直接编译成了可令机器读懂的机器语言；用Objective-C编写的程序不能直接编译成机器语言，而是在程序运行时期通过Runtime把程序转为机器语言。Runtime是OC不可缺少的重要一部分。

OC就基于运行时来工作。运行时环境可处理弱类型、函数存在检查工作，会检测注册列表里是否存在对应的函数，类型是否正确，最后确定正确的函数地址，在进行保存寄存器状态，压栈、函数调用等实际操作，确保了OC的灵活性。

理解实例对象（instance）-》类对象（class object）-》元类对象（meta class）的概念

我们创建的一个实例对象底层编译出来其实就是一个结构体（struct objc_object）, objc_object这个结构体里有一个isa指针指向了它的类对象 结构体 objc_class,类对象里也有一个isa指针指向Meta Class 元类对象,其实元类对象也是一个objc_class的结构体。因此，元类对象也有一个isa指针，那么它的isa又是指向什么呢？

为了不让这种结构无限延伸下去，OC的设计者让所有的元类对象的isa指针都统一指向基类的元类对象（如果是从NSObject中继承而来的那么基类的元类对象就是指的NSObject的元类对象）

可直接理解为继承自NSObject的类，它们的类对象的isa指针都统一指向NSObject的元类对象，而NSObject的元类对象的isa指针是指向它自己。

1 先看看对应的结构体代码

// 实例对象的结构体
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

// 类对象的结构体
struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

    Class super_class                                        
    const char *name                                         
    long version                                             
    long info                                                
    long instance_size                                       
    struct objc_ivar_list *ivars                             
    struct objc_method_list **methodLists                    
    struct objc_cache *cache                                 
    struct objc_protocol_list *protocols                     
}

// id 类型
typedef struct objc_object *id;
// Class 类型
typedef struct objc_class *Class;

在上述objc_class结构体定义中，主要关注以下几个字段：

isa:在OC中对象的isa指针指向类，类的isa指针指向元类。
super_class: isa用于自省确定所属类，super_class确定继承关系。所以super_class指向该类的父类，如果该类已经是最顶层的根类(如NSObject或NSProxy)，则super_class指向nil。
cache: 如果每次消息来时，都是methodLists中遍历一遍，性能势必很差。这时，cache就派上用场了。在每次调用过一个方法后，这个方法就会被缓存到cache列表中，下次调用的时候runtime就会优先去cache中查找，如果cache没有，才去methodLists中查找方法。这样，对于那些经常用到的方法的调用，但提高了调用的效率。
version： 使用这个字段来提供类的版本信息。这对于对象的序列化非常有用，它可以让我们识别出不同类定义版本中实例变量布局的改变。

2 通过下面的图来再次说一下实例对象、类对象、元类对象的关系

![img2.png](https://img.haomeiwen.com/i2470124/b316d5979d7e97bd.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)

说明： 虚线箭头代表isa指针（表示指向）；实线箭头代表super_class指针（表示super_class指针的指向）

instance实例对象的isa指针指向class类对象,类对象的isa指针都指向了meta元类对象,所有的元类对象（不论是Subclass的元类对象、还是Superclass的元类对象）都统一指向了Root基类的元类对象，而Root基类的元类对象，它isa指针指向了它自己。
类对象的super_class指针指向关系：Subclass类对象-》Superclass类对象-》Rootclass类对象-》nil （即 NSObject的类对象的super_class指针指向了nil）
元类对象的super_class指针指向关系：Subclass元类对象-》Superclass元类对象-》Rootclass类对象-》Rootclass类对象（即 NSObject的元类对象的super_class指针指向了NSObject的类对象）

如果上的解释没明白，看下面的解释

img2.png

D3继承D2,D2继承D1,D1最终继承NSObject。

D3实例对象有一个isa指针指向D3的类对象
D2实例对象有一个isa指针指向D2的类对象
D1实例对象有一个isa指针指向D1的类对象
D3的类对象有一个super_class指针指向D2的类对象
D2的类对象有一个super_class指针指向D1的类对象
D1的类对象有一个super_class指针指向NSObject的类对象
NSObject的类对象有一个super_class指针指向nil
D3的类对象有一个isa指针指向D3的元类对象
D2的类对象有一个isa指针指向D2的元类对象
D1的类对象有一个isa指针指向D1的元类对象
NSObject的类对象有一个isa指针指向NSObject的元类对象
D3、D2、D1元类对象的isa指针都统一指向NSObject的元类对象
NSObject元类对象的isa指针指向了自身
NSObject元类对象的super_class指针指向了NSObject的类对象

那么如果我们想获取isa指针的指向对象呢？

object_getClass：获取isa指针指向的对象
class_isMetaClass：用于判断Class对象是否为元类


    Person *p = [[Person alloc] init];
    
    Class p_isa = object_getClass(p); // 获取p对象isa指针指向的类对象
    Class pclass_isa = object_getClass(p_isa); // 获取类对象isa指针指向的元类对象
    Class pmetaclass_isa = object_getClass(pclass_isa);// 获取元类对象isa指针指向的NSObject的元类对象

    // class_isMetaClass 判断是否是元类对象
    BOOL b1 = class_isMetaClass(p_isa);
    BOOL b2 = class_isMetaClass(pclass_isa);
    BOOL b3 = class_isMetaClass(pmetaclass_isa);
    
    NSLog(@"---%@---%zd",p_isa,b1);
    NSLog(@"---%@---%zd",pclass_isa,b2);
    NSLog(@"---%@---%zd",pmetaclass_isa,b3);
    
    // 打印结果
    ---Person---0
    ---Person---1
    ---NSObject---1

通过代码可以看出

一个实例对象通过object_getClass方法获取的Class就是实例对象的isa指针指向的类对象
类对象通过object_getClass方法获取的Class就是类对象的isa指针指向的元类对象
实例对象的Class 是类对象
类对象的Class 是元类对象

获取 superclass


@interface Person : TestObj

@end

#############

    Person *p = [[Person alloc] init];
    
    Class p_isa = object_getClass(p); // 获取p对象isa指针指向的类对象
    Class pclass_isa = object_getClass(p_isa); // 获取类对象isa指针指向的元类对象
    Class pmetaclass_isa = object_getClass(pclass_isa);// 获取元类对象isa指针指向的NSObject的元类对象
    
    Class p_superclass = class_getSuperclass(p_isa); // 获取p的类对象的superclass
    Class p_superclass_s = class_getSuperclass(p_superclass); // 获取p的类对象的superclass 的superclass
    Class p_superclass_s_s = class_getSuperclass(p_superclass_s); // 获取p的类对象的superclass 的superclass 的superclass
    
    NSLog(@"---%@---%@",p_isa,p_superclass);
    NSLog(@"---%@---%@",pclass_isa,p_superclass_s);
    NSLog(@"---%@---%@",pmetaclass_isa,p_superclass_s_s);
    
    //打印结果
     ---Person---TestObj
     ---Person---NSObject
     --NSObject---(null)

神经病院objc runtime入院考试

(1) 下面的代码输出什么？

@implementation Son : Father
- (id)init {
    self = [super init];
    if (self) {
        NSLog(@"%@", NSStringFromClass([self class]));
        NSLog(@"%@", NSStringFromClass([super class]));
    }
    return self;
}
@end

(2) 下面代码的结果？

BOOL res1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];
BOOL res2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];
BOOL res3 = [(id)[Sark class] isKindOfClass:[Sark class]];
BOOL res4 = [(id)[Sark class] isMemberOfClass:[Sark class]];

// 上面的题换个写法

    Class c1 = [NSObject class];
    Class s1 = [Sark class];

    BOOL res1 = [c1 isKindOfClass:[NSObject class]];
    BOOL res2 = [c1 isMemberOfClass:[NSObject class]];
    BOOL res3 = [s1 isKindOfClass:[Sark class]];
    BOOL res4 = [s1 isMemberOfClass:[Sark class]];
    
    
    // 因为 NSObject meta class –super -> NSObject class 
    NSObject的元类对象的super_class指向了NSObject class
    相当于c1 是 NSObject class 子类的实例 所以第一个为真
    所以第二个c1是不是NSObject class 当前类的实例就为假了
    同样Sark的元类对象的super_class 最终指向了 NSObject class 所以s1 并不是 Sark 或者其子类的实例 ，所以 第三和第四都为假

(3) 下面的代码会？Compile Error / Runtime Crash / NSLog…?

@interface NSObject (Sark)
+ (void)foo;
@end
@implementation NSObject (Sark)
- (void)foo {
    NSLog(@"IMP: -[NSObject (Sark) foo]");
}
@end

// 测试代码

[NSObject foo];
[[NSObject new] foo];

(4) 下面的代码会？Compile Error / Runtime Crash / NSLog…?

@interface Sark : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end
@implementation Sark
- (void)speak {
    NSLog(@"my name's %@", self.name);
}
@end

@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    id cls = [Sark class];
    void *obj = &cls;
    [(__bridge id)obj speak];
}
@end

答案

-(BOOL) isKindOfClass: classObj判断是否是这个类或者这个类的子类的实例

-(BOOL) isMemberOfClass: classObj 判断是否是这个类的实例

(1) Son / Son 因为super为编译器标示符，向super发送的消息被编译成objc_msgSendSuper，但仍以self作为reveiver
(2) YES / NO / NO / NO <NSObject>协议有一套类方法的隐藏实现，所以编译运行正常；由于NSObject meta class的父类为NSObject class，所以只有第一句为YES

(3) 编译运行正常，两行代码都执行-foo。 [NSObject foo]方法查找路线为 NSObject meta class –super-> NSObject class，和第二题知识点很相似。
(4)编译运行正常，输出ViewController中的self对象。编译运行正常，调用了-speak方法，由于

id cls = [Sark class];
void *obj = &cls;
obj已经满足了构成一个objc对象的全部要求（首地址指向ClassObject），遂能够正常走消息机制；

由于这个人造的对象在栈上，而取self.name的操作本质上是self指针在内存向高位地址偏移（32位下一个指针是4字节），按viewDidLoad执行时各个变量入栈顺序从高到底为（self, _cmd, self.class, self, obj）（前两个是方法隐含入参，随后两个为super调用的两个压栈参数），遂栈低地址的obj+4取到了self。

类与对象相关的操作函数

runtime提供了大量的函数来操作类与对象。

类的操作方法大部分是以class为前缀
对象的操作方法大部分是以objc或object_为前缀

1 类相关操作函数

类名(name)

  // 获取类的类名
  const char * class_getName ( Class cls );
  
  如果传入的cls为Nil，则返回一个空字符串。

父类(super_class) 和是否为元类(meta-class)

 // 获取类的父类
 Class class_getSuperclass ( Class cls );
 
 当cls为Nil或者cls为根类时，返回Nil。
 不过通常我们可以使用NSObject类的superclass方法来达到同样的目的

是否为元类(meta-class)

 // 判断给定的Class是否是一个元类
 BOOL class_isMetaClass ( Class cls );
 
 如果是cls是元类，则返回YES；
 如果否或者传入的cls为Nil，则返回NO。

实例变量大小(instance_size)

  // 获取实例大小
  size_t class_getInstanceSize ( Class cls );

成员变量(ivars)及属性

  // 获取类中指定名称实例成员变量的信息
  Ivar class_getInstanceVariable ( Class cls, const char *name );

  // 获取类成员变量的信息
  Ivar class_getClassVariable ( Class cls, const char *name );

  // 添加成员变量
  BOOL class_addIvar ( Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types );

  // 获取整个成员变量列表
  Ivar * class_copyIvarList ( Class cls, unsigned int *outCount );
  
  // 获取指定的属性
  objc_property_t class_getProperty ( Class cls, const char *name );

  // 获取属性列表
  objc_property_t * class_copyPropertyList ( Class cls, unsigned int *outCount );

  // 为类添加属性
  BOOL class_addProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );

  // 替换类的属性
  void class_replaceProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );

方法(methodLists)

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

  // 获取实例方法
  Method class_getInstanceMethod ( Class cls, SEL name );

  // 获取类方法
  Method class_getClassMethod ( Class cls, SEL name );

  // 获取所有方法的数组
  Method * class_copyMethodList ( Class cls, unsigned int *outCount );

  // 替代方法的实现
  IMP class_replaceMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types );

  // 返回方法的具体实现
  IMP class_getMethodImplementation ( Class cls, SEL name );
  IMP class_getMethodImplementation_stret ( Class cls, SEL name );

  // 类实例是否响应指定的selector
  BOOL class_respondsToSelector ( Class cls, SEL sel );

协议(objc_protocol_list)

  // 添加协议
  BOOL class_addProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );

  // 返回类是否实现指定的协议
  BOOL class_conformsToProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );

  // 返回类实现的协议列表
  Protocol * class_copyProtocolList ( Class cls, unsigned int *outCount );

2 实例相关的操作函数

对实例对象进行操作的函数

  // 返回指定对象的一份拷贝
  id object_copy ( id obj, size_t size );

  // 释放指定对象占用的内存
  id object_dispose ( id obj );
  
  // 举例子
  NSObject *a = [[NSObject alloc] init];
  id newB = object_copy(a, class_getInstanceSize(MyClass.class));
  object_setClass(newB, MyClass.class);
  object_dispose(a);

操作对象的实例变量

  // 修改类实例的实例变量的值
  Ivar object_setInstanceVariable ( id obj, const char *name, void *value );

  // 获取对象实例变量的值
  Ivar object_getInstanceVariable ( id obj, const char *name, void **outValue );

  // 返回指向给定对象分配的任何额外字节的指针
  void * object_getIndexedIvars ( id obj );

  // 返回对象中实例变量的值
  id object_getIvar ( id obj, Ivar ivar );

  // 设置对象中实例变量的值
  void object_setIvar ( id obj, Ivar ivar, id value );

操作对象的类

  // 返回给定对象的类名
  const char * object_getClassName ( id obj );

  // 返回对象的类
  Class object_getClass ( id obj );

  // 设置对象的类
  Class object_setClass ( id obj, Class cls );

三、什么是‘关联对象’？

所谓“关联对象” 说白了也就是一个对象。就是把一个类的实例(也叫对象)通过一个**唯一的key**动态绑定到另外一个对象上的过程叫做关联对象。

举例说明：

我们知道一个类的实例（对象）可以作为另外一个类的属性出现。比如有一个Dog类和Person类，而Person下有一个属性是dog。

@interface Person ()

@property (nonatomic, strong) Dog *dog;

@end

通俗的理解就是： 可以给一个对象关联许多其它对象，关联的这些对象通过“key”来区分。

怎么进行关联那？

答：需要用到 Runtime(运行时)里提供的两个方法。

objc_setAssociatedObject
objc_getAssociatedObject

/* Returns the value associated with a given object for a given key.
此方法根据给定的键(key)从某对象(object)中获取相应的关联对象值 */

OBJC_EXPORT id objc_getAssociatedObject(id object, const void *key);

 /* Sets an associated value for a given object using a given key and association policy.
 此方法用给定的键(key)和策略(policy)给某对象(object)设置关联对象值(value) */
 
OBJC_EXPORT void objc_setAssociatedObject(id object, const void *key, id value, objc_AssociationPolicy policy)

参数说明：

参数	说明
id object	给`哪个对象`设置`关联对象` （比如这里的 Person类的实例对象）
const void *key	指定关联对象唯一的key（之后通过该key来获取）
id value	指定`关联的对象` （比如dog）
objc_AssociationPolicy	指定内存管理策略（枚举）

以下几种内存管理策略：

typedef OBJC_ENUM(uintptr_t, objc_AssociationPolicy) {
    OBJC_ASSOCIATION_ASSIGN = 0,
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN_NONATOMIC = 1,
    OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC = 3,
    OBJC_ASSOCIATION_RETAIN = 01401,
    OBJC_ASSOCIATION_COPY = 01403
};

说明：

如果想要解除关联对象，我们不需要去主动调用runtime提供的removeAssociated函数，可以使用setAssociatedObject置为nil来解除关联对象。

参考文档：

Runtime官方翻译

Objective-C Runtime 1小时入门教程

神经病院objc runtime入院考试

iOS之Runtime（一）彻底搞清类和对象

理解实例对象（instance）-》类对象（class object）-》元类对象（meta class）的概念

1 先看看对应的结构体代码

2 通过下面的图来再次说一下实例对象、类对象、元类对象的关系

那么如果我们想获取isa指针的指向对象呢？

获取 superclass

神经病院objc runtime入院考试

类与对象相关的操作函数

1 类相关操作函数

2 实例相关的操作函数

三、什么是‘关联对象’？

举例说明：

怎么进行关联那？

参数说明：

以下几种内存管理策略：

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2 通过下面的图来再次说一下实例对象、类对象、元类对象的关系

那么如果我们想获取isa指针的指向对象呢？

获取 superclass

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2 实例相关的操作函数

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怎么进行关联那？

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