类的原理(上)

对于一个iOS开发者来说对象是最熟悉不过的，因为我们开发的时候时刻都是在操作各种对象，而且都知道对象是通过了类的初始化创建出来的，那么问题来了，我们都知道类是通过继承实现方法以及属性和协议的传递，那么底层原理是怎么实现的呢？那么带着对未知的好奇心和求知欲我们一起探索类的原理，今天主要探索isa。

知识补充：isa

我们都知道isa是个指针，那么他是一个什么样的指针呢？我们先创建一个NSObject对象，然后按住command键+鼠标右键点击，我们就可以进入类定义的地方，我们能够看到如下代码:

@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

在NSObject中有一个成员变量isa，而且是Class类型，然后我们继续看这个Class类型的时候会发现进不去了，我们看不到了。

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引用某人的口头禅好烦，那么接下来就上大招了，objc源码工程，我们从源码工程中进行搜索Class。

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貌似有点多啊，但是经过我的不断查找(加上猜测)，所以最终锁定这么一行代码:

typedef struct objc_class *Class;

瞬间明白为啥经常要说isa指针了，这不就是结构体指针嘛。然后再次引出来一个问题，我们都知道类继承就是isa幕后操手，那么继续看下这个objc_class结构体的构成，欲知后事如何，请听下回分析。

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知识补充：objc_class

对于结构体我们都不陌生，毕竟开发中也会经常遇到，那么这节我们一起看下objc_class结构体，继续在objc源码工程中进行全局搜索struct objc_class，(⊙o⊙)…貌似和我想的不一样，咋这么多：

image.png

机智如我，经过这么一观察发现，一个是objc-runtime-new.h、一个是objc-runtime-old.h，那么直接放弃objc-runtime-old.h因为我们现在用的是新版OBJC2，然后再去看下runtime.h中objc_class的定义如下：

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;

结构体最后有一个标记OBJC2_UNAVAILABLE意思就是告诉我们在OBJC2中不让用，那么我们就只需要去看objc-runtime-new.h中的声明了，愉快的打开objc-runtime-new.h，然后......

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这个结构体出乎意料了，好长，然后大概瞅了那么一圈，嘿，貌似不长，都是函数我们需要的是了解它的成员有那些，所以经过简化后，结果如下:

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA; 这块系统注释的原因是告诉我们，这个结构体还有一个影藏的成员```ISA```
    Class superclass; //父类
    cache_t cache;             // 用来缓存指针和虚函数表
    class_data_bits_t bits;    // 存储类的信息的，包括成员列表、属性列表、方法列表、协议列表等等
}

然后到这块基本上已经了解了isa指针的本质objc_class结构体，那么顺带我们瞄一眼objc_object，发现里面就一个成员isa_t isa;，至于isa_t的结构体的介绍，在我的对象的本质这篇博客中有详细介绍，在这里就不多做解释了，感兴趣可以去看下。

到这里前面的知识补充就完成了，也就是开胃小菜吃完了，那么开始今天的重点，类的继承链也即是我们经常能够看到的isa走位以及通过源码搭配lldb去分析查看类的结构。

类的superClass走位

1、首先我们看下类的继承链，我们打开Xcode->command+shift+N->macOS->Command Line Tool然后起个霸气的名字。

2、然后创建一个基于NSObject的类KGPerson，然后添加如下几个属性、成员变量、对象方法以及类方法：

image.png

3、然后基于KGPerson创建一个KGTeacher类。

4、然后在main.m中引入KGPerson和KGTeacher的头文件。

5、声明并实现一个函数void kgTestSuperClass(void)，然后在main函数中调用，具体代码如下：

image.png

然后我们运行程序，最后打印结果如下：

image.png

6、到此那么我们可以得出如下一个集成链的isa走位图：

未命名.png

类的isa走位

1、在基于上一过程中创建的项目以及代码基础上我们在main函数中添加一个函数，如下：

image.png

2、运行项目后得到的结果如下图所示：

image.png

3、分析输出的结果，我们可以得到如下的isa走位图：

未命名 (1).png

4、然后我们再看下superClass的isa走位图，继续修改main.m代码如下：

image.png

5、运行结果如下:

image.png

6、通过打印结果，我们再次得到这样一个元类的superClass走位图：

未命名 (2).png

7、我们继续探索，元类的父类的isa是如何走的呢？下面继续修改main.m中的代码，如下：

image.png

8、代码运行结果如下：

image.png

9、最后结合之前的superClass走位图以及isa走位图，我们最后能够证明得到这个全球通用的图：

isa流程图.png

10、分析完成类的继承链以及元类的继承链后，回到开始的时候，我们的好奇心提出的疑问，下面我们一起通过源码搭配lldb去剖析类的原理。

类的属性

1、我们先前在KGPerson中创建了两个属性、一个成员变量、一个类方法、一个对象方法，下面我们先去看下类的属性是存储在哪里的。

2、我们前面以及探索了isa的结构，那么我们通过它的结构去查看存储的类信息，既然要看属性，那么我们必定是需要访问bits了它在类结构体中定义是这样的：class_data_bits_t bits;。

3、我们需要访问的数据存储在bits里面，但是我们只能得到类的地址，也就是isa的地址，那么我们怎么去访问后面的元素呢？请看下面一个简单的示例：

image.png

然后输出如下：

image.png

4、从上面小测试我们就可以看到，我们可以通过指针地址的偏移去访问地址指向的存储空间中的值，那么我们接下来看下，我们想要访问bits中的内容，我们需要将指针移动多少位？我们前面看了objc_class中bits前面有三个成员ISA、superclass、cache，然后isa是一个结构体指针占8位我们都知道，然后superclass是个Class类型，我们查看isa的时候就发现了Class也是个结构体指针，那就是说superclasss也是占8位，然后去看cache时发现这是个结构体，而且结构体中有两个成员，一个是_bucketsAndMaybeMask它的大小看uintptr_t的大小，uintptr_t又是一个无符号长整型数据，它在32位系统下是4字节，在64位系统下是8字节，我们现在都是在64位系统下进行的，所以它是8字节；另一个是联合体，然后联合体里面又是一个结构体和_originalPreoptCache，我们都知道联合体成员之间是互斥的，所以我们不看结构体，直接看_originalPreoptCache的大小，explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache;我们可以看到它的类型收到preopt_cache_t *的影响，然后preopt_cache_t *是个结构体指针，那么它的大小是8字节，所以得到如下结论：

image.png

5、所以我们如果想要访问bits需要进行地址偏移32位，地址是采用十六进制所以我们需要在原地址基础上加上0x20才可以访问到bits，那么我们先通过lldb测试下是否正确。

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6、从图上可以看出我们的猜测是完全正确的，确实偏移32位后能够访问到bits。然后我们继续分析class_data_bits_t结构体，发现里面有个data()方法，然后返回值是个class_rw_t*的指针，具体代码如下：

class_rw_t* data() const {
    return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}

7、那么我们去看下这个class_rw_t结构体，发现好多方法和成员，但是滑动到最后的时候看到了几个熟悉的单词如下：

image.png

8、那么我们能否猜测，这几个方法就是读取属性、方法、协议方法的呢？带着好奇，我们先去看下properties，具体操作是在上次的基础上进行，如下：

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9、通过以上步骤我们验证了一个类的属性存储在bits中，我们可以通过以下流程来获取类的属性：

未命名.png

10、到这里属性在类中存储的位置已经找到了，那么接下来我们再去分析下成员变量存储的位置。

类的对象方法

1、上面两节我们探索了类存储属性以及成员变量的位置，那么这节开始探索类的对象方法的存储位置，前面介绍属性存储位置的时候，我们是通过properties()来获取的，同时我们找的时候也看到了有个methods()函数，那么我们可以做个大胆的猜测，是否这个函数就是获取方法列表的呢？下面我们通过lldb在源码工程中进行调试验证一下。

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2、通过上述验证我们可以确定properties()中确实存储的方法，具体存储了哪些呢？下面我们继续读取：

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为啥不是我想象的那种样，出现我们熟悉的方法名呢？瞬间感觉好像在哪忽略了什么，于是我们再次回到class_rw_t结构体，然后顺着methods找到了method_array_t然后继续查找到了method_t结构体，看到如下内容:

image.png

发现我们需要的东西在big这个结构体内，然后我们继续往下查找，发现如下方法：

image.png

3、我们通过以上的查找得到了查找流程，那么我们继续去验证一下，通过lldb调试后，结果如下：

[图片上传失败...(image-729895-1624257474342)]

如上图我们能够看到name和homeTown的setter和getter方法，但是没有看到我们的类方法和对象方法，我猜测是否是因为没有实现导致呢？然后我们去实现方法，再次运行后发现只有对象方法没有类方法，结果如下：

image.png

4、通过打印发现对象方法是有了，但是没有类方法，那么类方法存储在哪里呢？请听下回分析。

总结

就俩字欧耶

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