OC让C语言面向对象的方式

objc让C语言面向对象的方式

简介：objc使用结构体让C语言支持面向对象。本文主要对这些结构体的功能和实际运行时的机制做一个概括，有了这些底层机制会更加轻松地理解一些高级的机制，比如类别为什么可以添加方法而不能添加属性、动态绑定变量、类别天加的方法会“覆盖”原有方法等。

Class和Object

• 在<objc/objc.h>中定义了objc_object。
• 在<objc/runtime.h>中定义了objc_class。
• 其他相关的结构体也都在这两个文件中可以找到。
• 如下(在objc/runtime.h中):

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

• 定义了一种objc_class的结构体，并使用Class代替结构体指针，具体如下(在objc/objc.h中)：

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

• 使用的[self Class]就可以获取这种结构体指针，这个结构体指针指向的是self类的结构体，也就是实例的isa指针。
• 在objc_class结构体中定义的主要内容有：isa指针、super指针、char*类型的类名、long型的实例大小、变量列表、方法列表、缓存、遵守的协议列表。
• 依次介绍这些必要元素的作用：

1. isa意思是这个class是个什么，通常实例的isa指针是指向类，而类（类对象）的isa指针指向类的原类，对于实例、类、原类，我个人是以他们的功能区分的，他们分别负责存储一个完整类的三个抽象层次的东西：属性、对象方法、类方法：在实例中主要存储着属性、在类中存储着实例方法(开头为-()的方法)、在原类中存储着类方法(开头为+()的方法)，通常我们在h文件中声明的时候也都是声明这三种东西，而他们在抽象层次上是存储在三个位置的。
2. super指针就是指向自身父类（对应的类结构体）的指针。
3. name就是这个类的名字（当我们手动创建一个和KVO派生出的子类名字相同的类时编译不会报错，而运行时会报错，因此OC在区分类时就是靠名字区分的）。
4. instance_size，就是一个对象占内存的大小，当我第一次看到实例结构体的定义时(见下面代码)让我大跌眼镜，为什么一个实例的结构体只有一个变量还是一个必不可少的isa指针，那我们定义的属性的值都装载哪里？肯定不会装载class结构体里面，因为class结构体是唯一的，而之后看到struct objc_ivar结构体的定义时才恍然大悟（见下下面代码），定义变量的结构体中有变量名、变量类型、offset和space，offset定义了这个实例的某个变量的地址相对于这个实例地址的偏移量，比如说一个实例的地址是10000,他的第一个变量是NSInteger,那么这个变量的offset就是0，space就是8,那么第二个变量不管是什么，他的offset都是8、他的space根据自己的类型大小不同。需要找第一个变量时就去10000+0的地址去找，需要找第二个变量时就去10000+8的地址去找。因此，一个objc_object结构体指针只会透露两个信息，一个是他的地址、一个是他的父类，当需要访问里面详细的信息时都需要根据class的规定和自身地址去寻址，从而查找变量。因此这个instance_size也就相当于varlist中所有变量的space之和了。

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

struct objc_ivar {
    char * _Nullable ivar_name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nullable ivar_type                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    int ivar_offset                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
    int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
}   

5. var_list，就是上面所说一个objc_ivar结构体的列表，包含了所有变量的信息。
6. method_list，类似变量列表，这个是方法列表，包含所有方法的信息，方法结构体的定义如下（见下面代码）。每个结构体包含：方法名（SEL）、返回类型、和方法实现（IMP）。SEL和IMP都是typedef定义的缩写，找到其定义（见下下面代码）,更深一层没有找到对于objc_selector结构体的定义，可以姑且就把他看成是一个字符串用来标记方法的名字，而对于IMP可以清晰看它就是一个C的函数指针，这样就可以把一个名字和一个指针对应起来的，只要我给出名字，就可以得到这个名字对应实现的指针，然后执行那里相应的代码。（这里忽然想到categary相关的一些理解，我们在categary中添加方法的时候总是在load时把方法添加到这个list中，如果有了同名方法，并不会把之前的覆盖掉，而是直接添加到list的最前面，因此每次使用selector查指针的时候都是先查到前面那个，因此就好像把原有方法覆盖掉了一样，但是OC是不推荐这样做的，因此这样会导致我们即使不想引入类别，也会不得不调用类别中的同名方法，从而使原有方法没法调用；另一方面，类别中之所以不能添加属性是因为我们上面一条所说的instance_size是类一开始load的时候就会根据varlist中的变量个数和大小确定好了，之后再添加属性会可能会出现访问越界的问题，因此不能添加属性，而动态绑定的变量不会出现在varlist中也不会改变一个实例的大小，因此可以用这种方法实现“假装”添加属性，绑定变量的绑定关系保存在全局的一个哈希表中，而不是实例里面）。

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    char * _Nullable method_types                            OBJC2_UNAVAILABLE;
    IMP _Nonnull method_imp                                  OBJC2_UNAVAILABLE;
} 

/// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;

/// A pointer to the function of a method implementation. 
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...); 
#endif

7. cache缓存结构体，cache装的什么？cache的定义（见下方代码），里面有个Method数组，Method就是我们之前看到的方法结构体，因此Cache是用来存储Method的。事实上当我们创建一个类的时候会写很多方法在里面，而runtime在查找这些方法的时候是根据SEL（方法名）一个一个对照着去查找的，而有些不常用的方法总是需要经过遍历，很浪费时间，因此就有了这个缓存，里面装的是那些常用的方法，每次只需要遍历一小部分方法名就可以快速找到对应的函数指针。

struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    unsigned int occupied                                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    Method _Nullable buckets[1]                              OBJC2_UNAVAILABLE;
};

typedef struct objc_method *Method;

8. protocol_list即是我们平时用尖括号围起来的协议了，其定义如下（见下方代码），可以看到protocollist中装的Protocol其实就是objc_object，这个没有查到特别具体的解释，我自己的理解是这些object指针指向的是类对象，从这样的类对象中也可以读到name，这些name被当做协议名而不是类名，而在方法列表中只能读取到方法名SEL，不能读取到具体的IMP实现指针，因此protocol和class是相同的存储形式，根据不同的读取规则产生了不同的作用。

#ifdef __OBJC__
@class Protocol;
#else
typedef struct objc_object Protocol;
#endif

• 最终，根据以上的这些结构体，OC成功实现了让C语言面向对象。
• 以上为查看源码和膜拜大神解释后自己的理解，不能保证完全正确，但整体上来看这样理解是基本正确的。

结束