iOS底层原理-isa、superClass

一、OC 对象的种类

1.OC 对象的种类

OC 对象有三个大的种类：

• instance 对象（实例对象）

• class 对象（类对象）

• meta-class 对象（元类对象）

2.instance 对象

instance对象就是通过类alloc出来的对象，每次调用alloc都会产生新的instance对象，分别占据着两块不同的内存。

instance 对象在内存中存储的信息包括

• isa指针

• 其他成员变量

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注意：实例对象不存放方法的信息、协议的信息、属性的信息等，只存储成员变量的值。

3.class 对象

我们通 class 方法或 runtime 的 object_getClass() 方法得到一个class对象。class对象也就是类对象。

获取类对象代码：

Class objectClass1 = [object1 class];
Class objectClass3 = [NSObject class];

// runtime
Class objectClass4 = object_getClass(object1);
Class objectClass5 = object_getClass(object2);

每一个类在内存中有且只有一个class对象。

class对象在内存中存储的信息主要包括：

• isa指针

• superclass指针

• 类的属性信息（@property），类的成员变量信息（ivar）

• 类的对象方法信息（instance method），类的协议信息（protocol）

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成员变量的值时存储在实例对象中的，因为只有当我们创建实例对象的时候才为成员变赋值。但是成员变量叫什么名字，是什么类型，只需要有一份就可以了。所以存储在class对象中。

4.元类对象 meta-class

获取元类对象代码：

//runtime中传入类对象此时得到的就是元类对象
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
// 而调用类对象的class方法时得到还是类对象，无论调用多少次都是类对象
Class cls = [[NSObject class] class];
Class objectClass3 = [NSObject class];
class_isMetaClass(objectMetaClass) // 判断该对象是否为元类对象
NSLog(@"%p %p %p", objectMetaClass, objectClass3, cls); // 后面两个地址相同，说明多次调用class得到的还是类对象

每个类在内存中有且只有一个meta-class对象。 meta-class对象和class对象的内存结构是一样的，但是用途不一样。

元类对象在内存中存储的信息主要包括

• isa指针
• superclass指针
• 类的类方法的信息（class method）

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meta-class对象和class对象的内存结构是一样的，所以meta-class中也有类的属性信息，类的对象方法信息等成员变量，但是其中的值可能是空的。

5.获取类对象/元类对象 API

Class objc_getClass(const char *aClassName)

• 传入字符串类名
• 返回对应的类对象，只能返回类返现

Class object_getClass(id obj)

• 传入的 obj 可能是 instance 对象、class 对象、meta-class 对象
• 返回值：
  • 传入 instance 对象，返回 class 对象
  • 传入 class 对象，返回 meta-class 对象
  • 传入 meta-class 对象，返回 NSObject 基类的 meta-class 对象

- (Class)class、 + (Class)class

• 只返回类对象，调用多次也只返回类对象

二、isa 指针

1.instance 对象的 isa 指针

instance的isa指向class，当调用对象方法时，通过instance的isa找到class，最后找到对象方法的实现进行调用。

2.class 对象的 isa 指针

类方法是存储在meta-class元类对象中的。class的isa指向meta-class 当调用类方法时，通过class的isa找到meta-class，最后找到类方法的实现进行调用

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三、superclass 指针

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Person 是 Student 的子类，当Student的instance对象要调用Person的对象方法时，会先通过isa找到Student的class，然后通过superclass找到Person的class，最后找到对象方法的实现进行调用，同样如果Person发现自己没有响应的对象方法，又会通过Person的superclass指针找到NSObject的class对象，去寻找响应的方法。

当类对象调用父类的类方法时，就需要先通过isa指针找到meta-class，然后通过superclass去寻找响应的方法。当Student的class要调用Person的类方法时，会先通过isa找到Student的meta-class，然后通过superclass找到Person的meta-class，最后找到类方法的实现进行调用。

四、总结图

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对 isa、superclass 总结

• instance的isa指向class
• class的isa指向meta-class
• meta-class的isa指向基类的meta-class，基类的isa指向自己
• class的superclass指向父类的class，如果没有父类，superclass指针为nil
• meta-class的superclass指向父类的meta-class，基类的meta-class的superclass指向基类的class
• instance调用对象方法的轨迹，isa找到class，方法不存在，就通过superclass找父类
• class调用类方法的轨迹，isa找meta-class，方法不存在，就通过superclass找父类

五、证明过程

1.证明对象的 isa 指针指向类对象

NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
Class objectClass = [NSObject class];
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
        
NSLog(@"%p %p %p", object, objectClass, objectMetaClass);

打印对象的 isa 指针

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我们发现object->isa与objectClass的地址不同，这是因为从64bit开始，isa需要进行一次位运算，才能计算出真实地址。而位运算的值我们可以通过下载objc源代码找到。

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我们通过位运算进行验证。

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我们发现，object-isa指针地址0x001dffff96537141经过同0x00007ffffffffff8位运算，得出objectClass的地址0x00007fff96537140

2.证明类的 isa 指针指向元类对象

由于控制台无法打印类的 isa 指针（头文件未暴露此结构），我们需要通过其他的方式去证明。

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查看源码

typedef struct objc_class *Class;

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 *` */

我们通过自己创建一个同样的结构体并进行强制转换，这样我们就可以拿到 isa 指针了。

struct xx_cc_objc_class{
    Class isa;
};

Class objectClass = [NSObject class];
struct xx_cc_objc_class *objectClass2 = (__bridge struct xx_cc_objc_class *)(objectClass);

最终结果

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objectClass2的isa指针经过位运算之后的地址是meta-class的地址。

3.证明基类 NSObject 元类对象的 superclass 指针指向 NSObject 类对象

NSObject 定义以下方法

- (void)test;
// + (void)test; 不定义此方法

NSObject 子类 Person 不定义 test 方法。

调用 [Person test]，最终会调到 NSObject 的 - (void)test 方法。

说明：调用 [Person test]，调用类方法，首先通过 Person class 对象的 isa 指针找到 Pseron meta-class，在 meta-class 的方法列表中寻找 test 方法，此时没有找到，然后通过 Pseron meta-class 的 superclass 找到 NSObject meta-class，NSObject meta-class 方法列表中也未找到 test 方法，然后通过 NSObject meta-class 的 superclass 指针找到 NSObject class 对象，在 NSObject class 对象的方法列表中找到了 test 实例方法，最终进行调用。所以看起来是调用了一个类方法，但最终是调用了一个 NSObject 的实例方法。

二、面试题

一个 NSObject 对象占用多少内存？

1. 系统分配了16个字节给 NSObject 对象（通过 malloc_size 函数获得）。
2. 但 NSObject 对象内部只使用了8个字节的空间（64bit环境下，可以通过 class_getInstanceSize 函数获得）。

对象的isa指针指向哪里？

1. instance 对象的 isa 指向 class 对象。
2. class 对象的 isa 指向 meta-class 对象。
3. meta-class 对象的 isa 指向基类的 meta-class 对象。

OC的类信息存放在哪里？

1. 对象方法、属性、成员变量、协议信息，存放在 class 对象中。
2. 类方法，存放在 meta-class 对象中。
3. 成员变量的具体值，存放在 instance 对象。

感谢原作者‘666真666’的分享，在此留存。原文链接