一、对象、ISA、类、元类、根元类间的关系

核心知识点：

• 类声明对象，给对象分配多少内存是依据类，对象的ISA指向类
• 对象在内存中第一个8字节储存的是ISA
• ISA中的shiftClass段就是类，即类为对象的isa&mask
• 类也是一种对象，objc_class继承自objc_object，类的第一个8字节也是ISA，所以万物皆对象，万物皆有isa
• 类的ISA中的shiftClass为元类，即元类为类的isa&mask，类是由元类进行声明
• NSObject类的ISA指向NSObject类的元类，NSObject类的元类的ISA指向它自己
• 元类的ISA指向元类的元类，我们称NSObject类的元类为根元类

1. 元类的创建和声明是编译器完成，元类用来存储类方法的相关信息，元类本身是没有名称的，由于与类相关联，所以使用了同类名一样的名称
2. 对象之间不存在继承关系，只有类和元类之间存在继承关系
3. 类与元类在系统中，只存在一份，即类对象只有一份
4. 无论类继承层次多深，类的元类的ISA指向的都是NSObject根元类，由对象开始查找ISA，第三次及以后绝对指向NSObject

ISA指向和类继承关系图.png

1.1 准备验证代码

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>

@interface TESTPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *testname;
@end

@implementation TESTPerson

@end


int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        TESTPerson *obj = [TESTPerson alloc];
        TESTPerson *obj1 = [TESTPerson alloc];
        NSLog(@"class：%@",[TESTPerson class]);
        NSLog(@"class：%@",[obj class]);
        NSLog(@"class：%@", object_getClass(obj));
        NSLog(@"\n");
        NSLog(@"class：%@",[[obj class] class]);
        NSLog(@"class：%@",[[[obj class] class] class]);
        NSLog(@"class：%@",[[[[obj class] class] class] class]);
        NSLog(@"\n");
        NSLog(@"class：%@", object_getClass(object_getClass(obj)));
        NSLog(@"class：%@", object_getClass(object_getClass(object_getClass(obj))));
        NSLog(@"class：%@", object_getClass(object_getClass(object_getClass(object_getClass(obj)))));
        NSLog(@"\n");
        
    }
    return 0;
}

1.2 获取类的内存分布的三种方式：

1. 根据对象的实例化方法：[obj class]
2. 根据类对象的类方法：[TESTPerson class]
3. 根据runtime中的object_getClass(obj)

为什么嵌套调用时，结果不一致？

• class获取的永远是obj的类，因为传的是self
• object_getClass会将obj->getIsa()当成下一次的obj，如果嵌套两层，相当于调用两次getIsa()，对应的代码obj->getIsa()->getIsa()

三种方式的源码分析：

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

//第一步，走类方法class
+ (Class)class {
    return self;
}

//第二步，走objc_opt_class获取类信息
Class
objc_opt_class(id obj)
{
#if __OBJC2__
    if (slowpath(!obj)) return nil;
    Class cls = obj->getIsa();
    if (fastpath(!cls->hasCustomCore())) {
        return cls->isMetaClass() ? obj : cls;
    }
#endif
    return ((Class(*)(id, SEL))objc_msgSend)(obj, @selector(class));//走这里
}

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

1.3 Class的本质是objc_class

打开源码，在main方法里面输入Class *class。然后通过Class点进去,可以发现都是typedef struct objc_class *Class;，这说明Class(类)都是struct objc_class创建而来的。

#if !OBJC_TYPES_DEFINED
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

可以看到objc_class是继承于objc_object的，而objc_class本身是没有isa的，isa继承自objc_object，说明万物皆对象，对象是由类创建的，类由元类创建。

objec_class继承自object_object.png

1.4 验证类信息只有一份

验证类信息只有一份.png

二、类结构分析

2.1 重要：分析方法

分析的原理：基于类在内存中占用的地址是连续的，我们只需要从类的定义中，算出我们想查找的信息在哪个位置。具体做法就是通过struct objc_class : objc_object {} ，在这个定义类的结构体中，计算各成员变量所占的字节数，然后通过类的首地址，做相应字节的偏移，就能得到我们想要的信息。

再仔细看看objc_class的源码：

struct objc_class : objc_object {
  objc_class(const objc_class&) = delete;
  objc_class(objc_class&&) = delete;
  void operator=(const objc_class&) = delete;
  void operator=(objc_class&&) = delete;
    // 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
    
    //底下全是方法
    ......
}

C语言无法在结构体中定义函数，但是C++可以做到。C++中delete是删除地址空间，此处operator用作重载运算符。我们大概可以猜到前4句代码是析构函数功能，用作内存释放的函数。其他函数可以很确定绝对是函数的声明或者是内部函数实现。

所以我要弄清以下问题：

方法是否占用内存空间，会不会造成成员变量偏移？

通过以下代码予以验证

static声明的变量和方法不影响偏移位置.png

同样的道理：计算struct cache_t所占用的内存大小：

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets; // 是一个结构体指针类型，占8字节
    explicit_atomic<mask_t> _mask; //是mask_t 类型，而 mask_t 是 unsigned int 的别名，占4字节
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets; //是指针，占8字节
    mask_t _mask_unused; //是mask_t 类型，而 mask_t 是 uint32_t 类型定义的别名，占4字节
    
#if __LP64__
    uint16_t _flags;  //是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节
#endif
    uint16_t _occupied; //是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节

计算出cache类的内存大小 = 12 + 2 + 2 = 16字节。

我们所需要查看的信息在class_data_bits_t bits;中，在bits前面有3个成员变量，isa，superclass，这两个都是Class类型，都占有8字节，cache占用16字节，那么bits的内存就是基于类的首地址偏移32字节。

2.2 class_data_bits_t具体操作

什么是class_data_bits_t？在源码中，全局搜索，共有三处。

//第一处
// class_data_bits_t is the class_t->data field (class_rw_t pointer plus flags)
// The extra bits are optimized for the retain/release and alloc/dealloc paths.

//第二处
struct class_data_bits_t {
    friend objc_class;

    // Values are the FAST_ flags above.
    uintptr_t bits;

     // 代码过多，自动省略
    ...
public:

    class_rw_t* data() const {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
    // 代码过多，自动省略
    ...
};

//第三处
class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

在struct class_rw_t{...} 中，有我们熟悉的methods，properties，protocols。所以，我们应该先获取bits中class_rw_t *类型的data，再访问data中的方法，属性和协议。