iOS原理 对象的本质

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前言

Objective-C是一种面向对象的语言，其中最重要的两个概念就是『类』和『对象』。

• 类：对同一类事物的高度抽象，定义了这类事物的属性以及行为准则（方法）。
• 对象：类的一个实例，是一个具体的事物。

举例来说，我们可以把『汽车』称为一个类，在这个类下面有很多具体对象，比如小轿车、卡车等。而在OC中，对象分为三类：instance对象（实例对象）、class对象（类对象）、meta-class对象（元类对象）。

一、instance对象

实例对象是通过类alloc出来的对象，每次调用alloc都会创建新的实例对象。

NSObject *obj1 = [[NSObject alloc] init];
NSObject *obj2 = [[NSObject alloc] init];
NSLog(@"obj1 = %@, &obj1 = %p", obj1, &obj1);
NSLog(@"obj2 = %@, &obj2 = %p", obj2, &obj2);

//打印结果
obj1 = , &obj1 = 0x7ffeefbff460
obj2 = , &obj2 = 0x7ffeefbff468

从打印结果可知，obj1和obj2指向的是不同的内存地址，所以对NSObjce类调用两次alloc方法，就创建了两个实例对象。需要注意的是，这里的obj1和obj2并不是实例对象本身，只是指向实例对象的地址，在编程中可以通过obj1和obj2来操作对象。他们的关系如下图所示：

obj1和obj2是两个指针对象，他们内存空间里保存的分别是NSObject的实例对象1和实例对象2的地址，这样可以通过obj1和obj2来访问实例对象，并进行操作。

二、class对象

类对象，在运行时由系统创建，一个类只会生成一个类对象，实例对象通过成员isa访问类对象。下面通过三种不同方式来获取NSObject的类对象，并打印地址：

NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
Class cls1 = [NSObject class];
Class cls2 = [obj class];
Class cls3 = object_getClass(obj);
NSLog(@"cls1 = %p \ncls2 = %p \ncls3 = %p", cls1, cls2, cls3);

//打印结果
cls1 = 0x100334140 
cls2 = 0x100334140 
cls3 = 0x100334140

从打印结果可知，三种方式获取到的类对象的地址都是一样的，说明一个类只会生成一个类对象。

三、meta-class对象

元类是类对象所属的类，其数据结构和类一致。因此实例对象是类的实例，而类对象是元类的实例。元类对象也是在运行时由系统创建的，只会生成一个，类对象也是通过其isa访问到元类对象。

四、实例对象的本质

介绍完对象的概念后，现在来探索实例对象在底层的呈现样式。总所周知OC底层还是C\C++，然后再经过汇编转换成机器语言，最后被计算机CPU所识别。我们可以通过Clang将目标文件进行编译，然后查看对象的底层编译结果。

4.1 Clang

Clang是⼀个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/Objective-C编译器，常用语法可以参考这篇文章。这里主要通过下面的命令来进行编译：

• 把⽬标⽂件编译成c++⽂件

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 

rewrite-objc：重写objc语言
main.m：是需要重写的目标文件
-o：表示输出
main.cpp：输出的c++文件

• 编译转换时指明编译平台

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp

xcrun：表示xcode run
-sdk iphoneos：是指编译在iphoneos平台，如果指定在模拟器编译，可以用iphonesimulator。
-arch arm：arch是architectures构架的意思，arm64是苹果所用的构架中的一种其他还包括：arm7、arm7s等。

4.2 编译步骤

先在main.m文件里声明一个TestPerson类

//TestPerson类里只有一个name属性
@interface TestPerson : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *name;

@end

@implementation TestPerson
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

然后打开终端，cd进入main.m所在文件夹，执行clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp命令，即可得到编译后的main.cpp文件。

4.3 分析编译结果

打开main.cpp文件，直接搜索TestPerson，即可看到其编译结果。

//Person对象的底层编译结果
struct TestPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;   //isa
    NSString *_name;    //name
};

//name属性setter/getter方法的实现
static NSString * _I_TestPerson_name(TestPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_TestPerson$_name)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);
static void _I_TestPerson_setName_(TestPerson * self, SEL _cmd, NSString *name) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct TestPerson, _name), (id)name, 0, 1); }

//main函数
int main(int argc, const char * argv[]) {
    /* @autoreleasepool */ { __AtAutoreleasePool __autoreleasepool; 

        NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_0w_4ns7bgrd4m9fd04w08706cr00000gp_T_main_001b7d_mi_0);
    }
    return 0;
}

从编译结果可以得到下面两个结论：

1. 对象的本质是个结构体。TestPerson对象在底层被编译成结构体，其中包含了isa和name两个属性，且isa储存在内存中的第一位。
2. 属性的setter方法在底层是通过调用objc_setProperty方法实现的。

4.4 objc_setProperty方法的实现

在objc-781源码中搜索objc_setProperty方法，可以看到实现逻辑如下：

//这里直接调用 reallySetProperty
void objc_setProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, id newValue, BOOL atomic, signed char shouldCopy) 
{
    bool copy = (shouldCopy && shouldCopy != MUTABLE_COPY);
    bool mutableCopy = (shouldCopy == MUTABLE_COPY);
    reallySetProperty(self, _cmd, newValue, offset, atomic, copy, mutableCopy);
}

//这里主要实现了新值的retain，以及旧值的release
static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy, bool mutableCopy)
{
    if (offset == 0) {
        object_setClass(self, newValue);
        return;
    }

    id oldValue;
    id *slot = (id*) ((char*)self + offset);

    if (copy) {
        newValue = [newValue copyWithZone:nil];
    } else if (mutableCopy) {
        newValue = [newValue mutableCopyWithZone:nil];
    } else {
        if (*slot == newValue) return;
        //step1：retain新值
        newValue = objc_retain(newValue);
    }

    if (!atomic) {
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;
    } else {
        spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
        slotlock.lock();
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;        
        slotlock.unlock();
    }
    
    //step2：release旧值
    objc_release(oldValue);
}

从源码可知，系统在objc_setProperty方法中通过持有新值、释放旧值实现了属性的赋值。

在属性赋值过程中，由于开发人员可以自定义各种属性，如果在底层直接实现赋值，会产生大量的临时变量。鉴于此，苹果提供objc_setProperty方法来作为一个中间层的通配方法，通过_cmd区分不同的属性，完成了setter方法的上下层关联。

帮助

1. Clang: a C language family frontend for LLVM
2. clang常用语法介绍