runtime - 理解面向对象的类到面向过程的结构体

本篇将看到runtime是如何将面向对象的类转变为面向过程的结构体的，深入理解instance、class object、metaclass的关系。

从理解面向对象的类到面向过程的结构体开始

我们使用OC进行面向对象开发，而C语言更多的是面向过程开发，这就需要将面向对象的类转变为面向过程的结构体，本文正是通过runtime源码分析来讲解runtime是如何将面向对象的类转变为面向过程的结构体，探究OC对类的处理本质。

深入代码理解instance、class object、metaclass

面向对象编程中，最重要的概念就是类，下面我们就从代码入手，看看OC是如何实现类的。

前面一直在说runtime将面向对象的类转变为面向过程的结构体，那这个结构体到底是什么样子的？打开#import<objc/objc.h>文件，可以发现以下几行代码：

/// 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;

通过注释和代码不难发现，我们创建的一个对象或实例其实就是一个struct objc_object结构体，而我们常用的id也就是这个结构体的指针。有如下代码：

// 以下两种写法都成立
id str = [[NSString alloc] init];
NSString *str = [[NSString alloc] init];

通过上述代码我们可以看出，我们创建的NSString类的实例str其实就是一个struct objc_object结构体指针，所以不管是Foundation框架中的类或是自定义的类，我们创建的类的实例最终获取的都是一个结构体指针，这个结构体只有一个成员变量就是Class类型的isa指针，Class是结构体指针，指向struct objc_class，那这个结构体又是什么呢？这里先透漏一句话str is a NSString，再加上Class这个指针的名字，不难猜测，这里Class就是代表NSString这个类。

接下来详细讲解objc_class这个结构体，现在再看另一个例子，有时我们也会通过下述方法来创建一个实例：

NSString *str = [[NSString alloc] initWithString: @"Hello World"];
Class c = [str class];
NSString *str2 = [[c alloc] initWithString: @"Hello World"];

可能你已经发现，通过实例对象调用的class方法，能够获取到一个Class类型的变量，可以通过这个Class来创建相应的实例对象。

实际上，OC中的类也是一个对象，成为类对象，上述方法中通过[str class]方法获取到的就是NSString类的类对象，接着我们就可以通过这个类对象来创建实例对象，那这个类对象又是什么东西呢？打开#import<objc/runtime.h>文件，我们可以找到结构体struct objc_class的定义，该结构体定义如下：

// 文件objc/runtime.h中有如下定义:

struct objc_class {
  Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY; //isa指针指向Meta Class，因为Objc的类的本身也是一个Object，为了处理这个关系，runtime就创造了Meta Class，当给类发送[NSObject alloc]这样消息时，实际上是把这个消息发给了Class Object
  #if !__OBJC2__
  Class super_class OBJC2_UNAVAILABLE; // 父类
  const char *name OBJC2_UNAVAILABLE; // 类名
  long version OBJC2_UNAVAILABLE; // 类的版本信息，默认为0
  long info OBJC2_UNAVAILABLE; // 类信息，供运行期使用的一些位标识
  long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE; // 该类的实例变量大小
  struct objc_ivar_list *ivars OBJC2_UNAVAILABLE; // 该类的成员变量链表
  struct objc_method_list **methodLists OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法定义的链表
  struct objc_cache *cache OBJC2_UNAVAILABLE; // 方法缓存，对象接到一个消息会根据isa指针查找消息对象，这时会在method Lists中遍历，如果cache了，常用的方法调用时就能够提高调用的效率。
  struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE; // 协议链表
  #endif
  } OBJC2_UNAVAILABLE;
  
  
  文件objc/objc.h文件中有如下定义
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

struct objc_class结构体定义了很多变量，通过命名不难发现，结构体里保存了指向父类的指针、类的名字、版本、实例大小、实例变量列表、方法列表、缓存、遵守的协议列表等，一个类包含的信息也不就正是这些吗？没错，类对象就是一个结构体struct objc_class，这个结构体存放的数据称为元数据(metadata)，该结构体的第一个成员变量也是isa指针，这就说明Class本身其实也是一个对象，因此我们称之为类对象，类对象在编译期产生用于创建实例对象，是单例。

类对象中的元数据存储的都是如何创建一个实例的相关信息，那么类对象和类方法应该从哪里创建呢？就是从isa指针指向的结构体创建，类对象的isa指针指向的我们称之为元类(metaclass)，元类中保存了创建类对象以及类方法所需要的所有信息，因此整个结构应该如下图所示：

image

通过上图我们可以清晰的看出来一个实例对象也就是struct objc_object结构体它的isa指针指向类对象，类对象的isa指针指向了元类，类对象的super_class指针指向了父类的类对象，而元类的super_class指针指向了父类的元类，那元类的isa指针又指向了什么？为了更清晰的表达直接借用大神的图。

image

通过上图我们可以看出整个体系构成了一个自闭环，如果是从NSObject中继承而来的，上图中的Root class就是NSObject。至此，整个实例、类对象、元类的概念也就讲清楚了，接下来我们在代码中看看这些概念该怎么应用。

// 新建一个Person类继承自NSObject

Person *p = [[Person alloc] init];
Class c1 = [p class];
Class c2 = [Person class];
//输出 1
NSLog(@"%d", c1 == c2);

c1是通过一个实例对象获取的Class，实例对象可以获取到其他类对象，类名作为消息的接受者时代表的是类对象，因此类对象获取Class得到的是其本身，同时也印证了类对象是一个单例的想法。

那么如果我们想获取isa指针的指向对象呢？

介绍两个函数：

OBJC_EXPORT BOOL
class_isMetaClass(Class _Nullable cls) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
    
OBJC_EXPORT Class _Nullable
object_getClass(id _Nullable obj) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

class_isMetaClass用于判断Class对象是否为元类，object_getClass用于获取对象的isa指针指向的对象。

再看如下代码：

Person *p = [[Person alloc] init];
//输出1
NSLog(@"%d", [p class] == object_getClass(p));
//输出0
NSLog(@"%d", class_isMetaClass(object_getClass(p)));
//输出1
NSLog(@"%d", class_isMetaClass(object_getClass([Person class])));
//输出0
NSLog(@"%d", object_getClass(p) == object_getClass([Person class]));

通过代码可以看出，一个实例对象通过class方法获取的Class就是它的isa指针指向的类对象，而类对象不是元类，类对象的isa指针指向的对象是元类。

总结：

到这里，我们清楚的了解了OC中的类和实例是如何映射到C语言结构体的，实例对象是一个结构体，这个结构体只有一个成员变量，指向构造它的那个类对象，这个类对象中存储了一切实例对象需要的信息包括实例变量、实例方法等，而类对象是通过元类创建的，元类中保存了类变量和类方法，这就完美的解释了整个类和实例是如何映射到结构体的。