【iOS 底层原理】struct objc_class 的结构

作者: 666真666 | 来源:发表于2018-08-15 10:25 被阅读282次

不管是类对象还是元类对象，类型都是 Class，class 和 mete-class 的底层都是 objc_class 结构体的指针。

typedef struct objc_class *Class;

1.OBJC1 objc_class 结构（过时）

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 *` */

2. OBJC2 结构

image.png

objc_class 这个结构体继承 objc_object 并且结构体内有一些函数，因为这是c++结构体，在c上做了扩展（结构体和对象的差别不大），因此结构体中可以包含函数。

objc_object 结构如下

image.png

objc_object中有一个isa指针，那么objc_class继承objc_object，也就同样拥有一个isa指针

objc_class 中的 data 返回 class_rw_t 结构，此结构定义如下：

image.png

而class_rw_t是通过bits调用data方法得来的，我们来到data方法内部实现。我们可以看到，data函数内部仅仅对bits进行&FAST_DATA_MASK操作

image.png

而成员变量信息则是存储在class_ro_t内部中的，我们来到class_ro_t内查看。
class_rw_t 表示read write，class_ro_t 表示 read only。

image.png

3. 总结图

image.png

二、证明过程

因为 objc_class 结构没有暴露出来，所以可以自定义一个结构体，如果我们自己写的结构和objc_class真实结构是一样的，那么当我们强制转化的时候，就会一一对应的赋值。此时我们就可以拿到结构体内部的信息。

下列代码是我们仿照objc_class结构体，提取其中需要使用到的信息，自定义的一个结构体。

#import <Foundation/Foundation.h>

#ifndef XXClassInfo_h
#define XXClassInfo_h

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
# endif

#if __LP64__
typedef uint32_t mask_t;
#else
typedef uint16_t mask_t;
#endif
typedef uintptr_t cache_key_t;

struct bucket_t {
    cache_key_t _key;
    IMP _imp;
};

struct cache_t {
    bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;
};

struct entsize_list_tt {
    uint32_t entsizeAndFlags;
    uint32_t count;
};

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
};

struct method_list_t : entsize_list_tt {
    method_t first;
};

struct ivar_t {
    int32_t *offset;
    const char *name;
    const char *type;
    uint32_t alignment_raw;
    uint32_t size;
};

struct ivar_list_t : entsize_list_tt {
    ivar_t first;
};

struct property_t {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

struct property_list_t : entsize_list_tt {
    property_t first;
};

struct chained_property_list {
    chained_property_list *next;
    uint32_t count;
    property_t list[0];
};

typedef uintptr_t protocol_ref_t;
struct protocol_list_t {
    uintptr_t count;
    protocol_ref_t list[0];
};

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;  // instance对象占用的内存空间
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif
    const uint8_t * ivarLayout;
    const char * name;  // 类名
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;  // 成员变量列表
    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;
};

struct class_rw_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t version;
    const class_ro_t *ro;
    method_list_t * methods;    // 方法列表
    property_list_t *properties;    // 属性列表
    const protocol_list_t * protocols;  // 协议列表
    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;
    char *demangledName;
};

#define FAST_DATA_MASK          0x00007ffffffffff8UL
struct class_data_bits_t {
    uintptr_t bits;
public:
    class_rw_t* data() { // 提供data()方法进行 & FAST_DATA_MASK 操作
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
};

/* OC对象 */
struct xx_objc_object {
    void *isa;
};

/* 类对象 */
struct xx_objc_class : xx_objc_object {
    Class superclass;
    cache_t cache;
    class_data_bits_t bits;
public:
    class_rw_t* data() {
        return bits.data();
    }
    
    xx_objc_class* metaClass() { // 提供metaClass函数，获取元类对象
// 上一篇我们讲解过，isa指针需要经过一次 & ISA_MASK操作之后才得到真正的地址
        return (xx_objc_class *)((long long)isa & ISA_MASK);
    }
};

#endif /* XXClassInfo_h */

接下来我们将自己定义的类强制转化为我们自定义的精简的class结构体类型。

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

/* Person */
@interface Person : NSObject <NSCopying>
{
    @public
    int _age;
}
@property (nonatomic, assign) int height;
- (void)personMethod;
+ (void)personClassMethod;
@end

@implementation Person
- (void)personMethod {}
+ (void)personClassMethod {}
@end

/* Student */
@interface Student : Person <NSCoding>
{
    @public
    int _no;
}

@property (nonatomic, assign) int score;
- (void)studentMethod;
+ (void)studentClassMethod;
@end

@implementation Student
- (void)studentMethod {}
+ (void)studentClassMethod {}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
        Person *person = [[Person alloc] init];
        Student *student = [[Student alloc] init];
        
        xx_objc_class *objectClass = (__bridge xx_objc_class *)[object class];
        xx_objc_class *personClass = (__bridge xx_objc_class *)[person class];
        xx_objc_class *studentClass = (__bridge xx_objc_class *)[student class];
        
        xx_objc_class *objectMetaClass = objectClass->metaClass();
        xx_objc_class *personMetaClass = personClass->metaClass();
        xx_objc_class *studentMetaClass = studentClass->metaClass();
        
        class_rw_t *objectClassData = objectClass->data();
        class_rw_t *personClassData = personClass->data();
        class_rw_t *studentClassData = studentClass->data();
        
        class_rw_t *objectMetaClassData = objectMetaClass->data();
        class_rw_t *personMetaClassData = personMetaClass->data();
        class_rw_t *studentMetaClassData = studentMetaClass->data();

        // 0x00007ffffffffff8
        NSLog(@"%p %p %p %p %p %p",  objectClassData, personClassData, studentClassData,
              objectMetaClassData, personMetaClassData, studentMetaClassData);

    return 0;
}

通过打断点，我们可以看到class内部信息。

至此，我们再次拿出那张经典的图，挨个分析图中isa指针和superclass指针的指向

image.png

instance对象

首先我们来看instance对象，我们通过上一篇文章知道，instance对象中存储着isa指针和其他成员变量，并且instance对象的isa指针是指向其类对象地址的。我们首先分析上述代码中我们创建的object，person，student三个instance对象与其相对应的类对象objectClass，personClass，studentClass。

image.png

从上图中我们可以发现instance对象中确实存储了isa指针和其成员变量，同时将instance对象的isa指针经过&运算之后计算出的地址确实是其相应类对象的内存地址。由此我们证明isa，superclass指向图中的1，2，3号线。

class对象

接着我们来看class对象，同样通过上一篇文章，我们明确class对象中存储着isa指针，superclass指针，以及类的属性信息，类的成员变量信息，类的对象方法，和类的协议信息，而通过上面对object源码的分析，我们知道这些信息存储在class对象的class_rw_t中，我们通过强制转化来窥探其中的内容。如下图

image.png

上图中我们通过模拟对person类对象调用.data函数，即对bits进行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)运算，并转化为class_rw_t。即上图中的personClassData。其中我们发现成员变量信息，对象方法，属性等信息只显示first第一个，如果想要拿到更多的需要通过代码将指针后移获取。而上图中的instaceSize = 16也同person对象中isa指针8个字节+_age4个字节+_height4个字节相对应起来。这里不在展开对objectClassData及studentClassData进行分析，基本内容同personClassData相同。
那么类对象中的isa指针和superclass指针的指向是否如那张经典的图示呢？我们来验证一下。

image.png

通过上图中的内存地址的分析，由此我们证明isa，superclass指向图中，isa指针的4，5，6号线，以及superclass指针的10，11，12号线。

meta-class对象

最后我们来看meta-class元类对象，上文提到meta-class中存储着isa指针，superclass指针，以及类的类方法信息。同时我们知道meta-class元类对象与class类对象，具有相同的结构，只不过存储的信息不同，并且元类对象的isa指针指向基类的元类对象，基类的元类对象的isa指针指向自己。元类对象的superclass指针指向其父类的元类对象，基类的元类对象的superclass指针指向其类对象。
与class对象相同，我们同样通过模拟对person元类对象调用.data函数，即对bits进行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)运算，并转化为class_rw_t。

image.png

首先我们可以看到结构同personClassData相同，并且成员变量及属性列表等信息为空，而methods中存储着类方法personClassMethod。

接着来验证isa及superclass指针的指向是否同上图序号标注一样。

image.png

上图中通过地址证明meta-class的isa指向基类的meta-class，基类的isa指针也指向自己。

image.png

上图中通过地址证明meta-class的superclass指向父类的meta-class，基类的meta-class的superclass指向基类的class类。

【iOS 底层原理】struct objc_class 的结构

1.OBJC1 objc_class 结构（过时）

2. OBJC2 结构

3. 总结图

二、证明过程

instance对象

class对象

meta-class对象

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