类的结构分析
分析
isa走向以及继承关系
1. 准备工作
- 【1】定义两个类
// 1.继承自NSObject的类CJLPerson
@interface CJLPerson : NSObject
{
NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *cjl_name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end
@implementation CJLPerson
- (void)sayHello
{}
+ (void)sayBye
{}
@end
//2. 继承自CJLPerson的类CJLTeacher
@interface CJLTeacher : CJLPerson
@end
@implementation CJLTeacher
@end
- 【2】在
main中实现两个对象
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
//ISA_MASK
CJLPerson *person = [CJLPerson alloc];
CJLTeacher *teacher = [CJLTeacher alloc];
NSLog(@"Hello, World! %@ - %@",person,teacher);
}
return 0;
}
2. 元类
- 我们都知道 对象的isa 是指向类，类的其实也是一个对象，可以称为类对象，其isa的位域指向苹果定义的元类
元类是系统给的，其定义和创建都是由编译器完成，在这个过程中，类的归属来自于元类元类是类对象的类，每个类都有一个独一无二的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
- 【1】在main中CJLTeacher部分加一个断点，运行程序
- 【2】开启
lldb调试，调试的过程如下图所示
类-元类-根元类.png
图中两LGPerson的来历-
0x0000000100002188是person对象的isa指针地址&后得到的结果是创建person的类CJLPerson -
0x0000000100002160是isa中获取的类信息所指的类的isa的指针地址，即 CJLPerson类的类的isa指针地址，在Apple中，我们简称CJLPerson类的类为元类
-
总结
-
对象的isa指向类（也可称为类对象） -
类的isa指向元类 -
元类的isa指向根元类，即NSObject -
根元类的isa指向它自己
isa走位 & 继承关系 图
isa流程图.png
objc_class & objc_object
isa走位我们理清楚了，又来了一个新的问题：为什么 对象 和 类都有isa属性呢？这里就不得不提到两个结构体类型：objc_class & objc_object
1. objc_class
- 从前面文章通过
clan编译过的main.app文件可以知道，NSObject的底层编译是NSObject_IMPL结构体- 其中
Class是isa指针的类型，是由objc_class定义的类型 - 而
objc_class是一个结构体。在iOS中，所有的Class都是以 objc_class 为模板创建的
- 其中
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
typedef struct objc_class *Class;
-
objc_class底层实现
从定义中，可以看到objc_class结构体类型是继承自objc_object的
2. objc_object
- 以下是编译后的main.cpp中的objc_object的定义
struct objc_object {
Class _Nonnull isa __attribute__((deprecated));
};
问
objc_class与objc_object有什么关系？
通过上述的源码查找以及main.cpp中底层编译源码
-
结构体类型
objc_class继承自objc_object类型，其中objc_object也是一个结构体，且有一个isa属性，所以objc_class也拥有了isa属性 -
mian.cpp底层编译文件中，
NSObject中的isa在底层是由Class定义的，其中class的底层编码来自objc_class类型，所以NSObject也拥有了isa属性 -
NSObject是一个类，用它初始化一个实例对象objc，objc满足objc_object的特性（即有isa属性），主要是因为isa是由NSObject从objc_class继承过来的，而objc_class继承自objc_object，objc_object 有isa属性。所以对象都有一个 isa，isa表示指向，来自于当前的objc_object -
objc_object（结构体）是当前的根对象，所有的对象都有这样一个特性objc_object，即拥有isa属性
总结
-
所有的
对象、类、元类都有isa属性 -
所有的
对象都是由objc_object继承来的 -
简单概括就是
万物皆对象，万物皆来源于objc_object，有以下两点结论：- 所有以
objc_object为模板创建的对象，都有isa属性 - 所有以
objc_class为模板，创建的类，都有isa属性
- 所有以
-
在结构层面可以通俗的理解为
上层OC与底层的对接：-
下层是通过结构体定义的模板，例如objc_class、objc_object -
上层是通过底层的模板创建的 一些类型，例如CJLPerson
-
类的结构分析
主要是分析
类信息中存储了哪些内容
补充知识-内存偏移
在分析类结构之前，需要先了解内存偏移，因为类信息中访问时，需要使用内存偏移
【普通指针】
//普通指针
int a = 10; //变量
int b = 10;
NSLog(@"%d -- %p", a, &a);
NSLog(@"%d -- %p", b, &b);
- a、b都指向10，但是a、b的地址不一样，这是一种拷贝，属于
值拷贝，也称为浅拷贝 - a,b的地址之间相差
4个字节，这取决于a、b的类型
【对象指针】
//对象
CJLPerson *p1 = [CJLPerson alloc]; // p1 是指针
CJLPerson *p2 = [CJLPerson alloc];
NSLog(@"%d -- %p", p1, &p1);
NSLog(@"%d -- %p", p2, &p2);
2251862-b38a0bfa89235dff.png
-
p1、p2 是指针，p1 是 指向 [CJLPerson alloc]创建的空间地址，即
内存地址，p2 同理 -
&p1、&p2是 指向 p1、p2对象指针的地址，这个指针 就是
二级指针
【数组指针】
//数组指针
int c[4] = {1, 2, 3, 4};
int *d = c;
NSLog(@"%p -- %p - %p", &c, &c[0], &c[1]);
NSLog(@"%p -- %p - %p", d, d+1, d+2);
- &c 和 &c[0] 都是取
首地址，即数组名等于首地址 - &c 与 &c[1] 相差
4个字节，地址之间相差的字节数，主要取决于存储的数据类型 - 可以通过
首地址+偏移量取出数组中的其他元素，其中偏移量是数组的下标，内存中首地址实际移动的字节数 等于 偏移量 * 数据类型字节数
探索类信息中都有哪些内容
事先我们并不清楚类的
结构是什么样的，但是我们可以通过类得到一个首地址，然后通过地址平移去获取里面所有的值
根据前文提及的objc_class 的新版定义（objc4-781版本）如下，有以下几个属性
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA; //8字节
Class superclass; //Class 类型 8字节
cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
//....方法部分省略，未贴出
}
-
isa属性：继承自objc_object的isa，占 8字节 -
superclass属性：Class类型，Class是由objc_object定义的，是一个指针，占8字节 -
cache属性：简单从类型class_data_bits_t目前无法得知，而class_data_bits_t是一个结构体类型，结构体的内存大小需要根据内部的属性来确定，而结构体指针才是8字节 -
bits属性：只有首地址经过上面3个属性的内存大小总和的平移，才能获取到bits
计算 cache 类的内存大小
进入cache类cache_t的定义（只贴出了结构体中非static修饰的属性，主要是因为static类型的属性 不存在结构体的内存中），有如下几个属性
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
-
计算前两个属性的内存大小，有以下两种情况，最后的内存大小总和都是12字节
-
【情况一】if流程
-
buckets 类型是struct bucket_t *，是结构体指针类型，占8字节
-
mask 是mask_t 类型，而 mask_t 是 unsigned int 的别名，占4字节
-
-
【情况二】elseif流程
-
_maskAndBuckets 是uintptr_t类型，它是一个指针，占8字节
-
_mask_unused 是mask_t 类型，而 mask_t 是 uint32_t 类型定义的别名，占4字节
-
-
-
_flags 是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节
-
_occupied 是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节
总结：所以最后计算出cache类的内存大小 = 12 + 2 + 2 = 16字节
获取bits
所以有上述计算可知，想要获取bits的中的内容，只需通过类的首地址平移32字节即可
以下是通过lldb命令调试的过程
-
其中的
data()获取数据，是由objc_class提供的方法
-
从
$2指针的打印结果中可以看出bits中存储的信息，其类型是class_rw_t，也是一个结构体类型。但我们还是没有看到属性列表、方法列表等，需要继续往下探索
探索 属性列表，即 property_list
通过查看class_rw_t定义的源码发现，结构体中有提供相应的方法去获取属性列表、方法列表等，如下所示
在获取bits并打印bits信息的基础上，通过class_rw_t提供的方法，继续探索 bits中的属性列表，以下是lldb 探索的过程图示
image.png
-
p $8.properties()命令中的propertoes方法是由class_rw_t提供的,方法中返回的实际类型为property_array_t -
由于
list的类型是property_list_t，是一个指针，所以通过p *$5获取内存中的信息，同时也证明bits中存储了property_list，即属性列表 -
p $6.get(1)，想要获取CJLPerson中的成员变量bobby， 发现会报错，提示数组越界了，说明 property_list 中只有 一个属性cjl_name
由此可得出
property_list中只有属性，没有成员变量，属性与成员变量的区别就是有没有set、get方法，如果有，则是属性，如果没有，则是成员变量。
那么成员变量存储在哪？？
探索 方法列表，即methods_list
准备工作：在前文提及的CJLPerson中增加两个方法（实例方法 & 类方法）
//CJLPerson.h
@property (nonatomic, copy) NSString *cjl_name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end
//CJLPerson.m
@implementation CJLPerson
- (void)sayHello
{}
+ (void)sayBye
{}
@end
-
通过
p $4.methods()获得具体的方法列表的list结构，其中methods也是class_rw_t提供的方法 -
通过打印的
count = 4可知，存储了4个方法,可以通过p $7.get(i)内存偏移的方式获取单个方法,i 的范围是0-3 -
如果在打印 p $7.get(4)，获取第五个方法，也会报错，提示数组越界
下面是lldb的调试过程通过查看
objc_class中bits属性中存储数据的类class_rw_t的定义发现，除了methods、properties、protocols方法，还有一个ro方法，其返回类型是class_ro_t，通过查看其定义，发现其中有一个ivars属性，我们可以做如下猜测：是否成员变量就存储在这个ivar_list_t类型的ivars属性中呢？
-
class_ro_t结构体中的属性如下所示，想要获取ivars，需要ro的首地址平移48字节
struct class_ro_t {
uint32_t flags; //4
uint32_t instanceStart;//4
uint32_t instanceSize;//4
#ifdef __LP64__
uint32_t reserved; //4
#endif
const uint8_t * ivarLayout; //8
const char * name; //1 ? 8
method_list_t * baseMethodList; // 8
protocol_list_t * baseProtocols; // 8
const ivar_list_t * ivars;
const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
//方法省略
}
通过图中可以看出，获取的ivars属性，其中的count 为2，通过打印发现 成员列表中除了有hobby，还有name，所以可以得出以下一些结论：
-
通过
{}定义的成员变量，会存储在类的bits属性中，通过bits --> data() -->ro() --> ivars获取成员变量列表，除了包括成员变量，还包括属性定义的成员变量 -
通过
@property定义的属性，也会存储在bits属性中，通过bits --> data() --> properties() --> list获取属性列表，其中只包含属性
可以通过lldb命令来验证我们的猜测。下图是lldb命令的调试流程在文章前半部分，我们曾提及了
元类，类对象的isa指向就是元类，元类是用来存储类的相关信息的，所以我们猜测：是否类方法存储在元类的bits中呢？
通过图中元类方法列表的打印结果，我们可以知道，我们的猜测是正确的，所以可以得出以下结论：
-
类的
实例方法存储在类的bits属性中，通过bits --> methods() --> list获取实例方法列表，例如CJLPersong类的实例方法sayHello 就存储在 CJLPerson类的bits属性中，类中的方法列表除了包括实例方法，还包括属性的set方法 和 get方法 -
类的
类方法存储在元类的bits属性中，通过元类bits --> methods() --> list获取类方法列表，例如CJLPerson中的类方法sayBye 就存储在CJLPerson类的元类（名称也是CJLPerson）的bits属性中
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