二、Objective-C对象模型

1、简介

主要介绍OC对象模型的实现细节，以及OC对象模型对isa swizzling和method swizzling的支持。

2、isa指针

OC是一门面向对象的编程语言，每一个对象都是一个类的实例，在OC语言的内部，每一个对象都有一个名为isa的指针，指向该对象的类。
每一个类描述了一系列它的实例的特点，包括成员变量的列表、成员函数的列表等。
每一个对象都可以接受消息，而对象能够接受的消息列表保存在它所对应的类中。
按照面向对象语言的设计原则，所有事物都应该是对象，在OC语言中，每一个类实际上也是一个对象，每一个类也有一个isa指针，每一个类也可以接收消息：

[NSObject alloc]

NSObject其实就是Class对象：

NSObject

Class其实只是一个结构体的指针：

Class

objc_class是一个包含isa指针结构体：

objc_class

上图中除了isa外还有其他成员变量，但那是为了兼容非2.0版本的OC的遗留逻辑，大家可以忽略！

因为类也是一个对象，所以它也必须是另一个类的实例，这个类就是元类(metaclass)。元类保存了类方法的列表，当一个类方法被调用时，元类会首先查找它本身是否有该类方法的实现，如果没有，则该元类会向它的父类查找，以此类推，一直找到继承链的头！元类也是一个对象，为了设计上的完整，元类的isa指针都会指向一个根元类(root metaclass)，跟元类本身的isa指针指向自己，这样就形成了一个闭环！所有子类的元类都会继承父类的元类，即类对象和元类对象有着同样的继承关系：

image.png

我们从图中可以看出：

1. NSObject的类中定义了实例方法，例如-(id)init方法和-(void)dealloc方法
2. NSObject的元类中定义了类方法，例如+(id)alloc方法、+(void)load方法和+(void)initialize方法
3. NSObject的元类继承自NSObject类，所有NSObject类是所有类的根，因此NSObject中定义的实例方法可以被所有对象调用，例如-(id)init方法和-(void)dealloc方法
4. NSObject的元类的isa指向自己

3、类的成员变量

把类的实例看成一个C语言的结构体，成员变量排列顺序如下：

isa指针
NSObject的成员变量
NSObject子类的成员变量
NSObject子类的子类的成员变量
.....
父类的成员变量
类本身的成员变量

验证程序：

@interface car : NSObject {
    int _carNO;
}
@end
@implementation car
@end

@interface SUV : car {
    int _SUVNO;
}
@end
@implementation SUV
@end

SUV *suv = [[SUV alloc] init];  //创建对象

在程序中插入断点，断点处利用调试器输出对象的结构：

image.png

因为对象在内存中的排布可以看成一个结构体，该结构体的大小并不能动态变化，所以无法在运行时动态地给对象增加成员变量！

对象的方法定义都保存在类的可变区域中，OC2.0并未在头文件中将实现暴露出来，但在OC1.0中，我们可以看到方法的定义列表是一个名为methodLists的指针的指针，通过修改该指针指向的指针的值，就可以动态地为某一个类增加成员方法，这也是category的原理，同时也说明了为什么category不能增加成员变量！！！通过associatedObject关联对象可以变相地给对象增加成员变量，但由于实现机制不一样，所以并不是真正改变了对象的内存结构！

methodLists

因为isa本身也只是一个指针，我们也可以在运行时动态地修改isa指针的值，打到替换对象整个行为的目的！

4、对象模型的应用

4.1 动态创建对象

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    //创建一个名为XZCustomView的类，它是UIView的子类
    Class newClass = objc_allocateClassPair([UIView class], "XZCustomView", 0);
    //为该类增加一个名为report的方法
    class_addMethod(newClass, @selector(report), (IMP)ReportFunction, "v@:");
    //为该类增加一个名为name的成员变量，虽然无法在运行时为已有对象增加成员变量，但是在使用运行时方法创建对象时，可以为对象增加成员变量
    //class_addProperty增加属性
    class_addIvar(newClass, "_name", sizeof(NSString *), log(sizeof(NSString *)), "I");
    //注册该类
    objc_registerClassPair(newClass);
    
    id instanceOfNewClass = [[newClass alloc] init];
    object_setIvar(instanceOfNewClass, class_getInstanceVariable(newClass, "_name"), @"Lance");
    [instanceOfNewClass performSelector:@selector(report)];
}

void ReportFunction(id self, SEL _cmd){
    NSLog(@"This object is %p", self);
    NSLog(@"This object's name is %@", object_getIvar(self, class_getInstanceVariable([self class], "_name")));
    NSLog(@"Class is %@, and super is %@.", [self class], [self superclass]);
    
    Class currentClass = [self class];
    for (int i = 1; i < 5; i++) {
        NSLog(@"Following the isa pointer %d thimes gives %p", i, currentClass);
        currentClass = object_getClass(currentClass);
    }
    
    NSLog(@"NSObject's class is %p", [NSObject class]);
    NSLog(@"NSObject's meta class is %p", object_getClass([NSObject class]));
}

运行测试程序，log打印如下：

程序log

要点如下：

1. #import
2. objc_allocateClassPair方法创建新的类
3. class_addMethod方法来给类增加新的方法

object_setIvar
class_getInstanceVariable
object_getIvar

4. class_addIvar方法来给类增加新的成员变量
5. objc_registerClassPair方法来注册新的类
6. object_getClass方法来获得对象的isa指针所指向的对象

4.2 系统相关API及应用

应用一、isa swizzling

isa-swizzling

其实KVO的实现可能是：

• 添加Observer
  通过runtime偷偷实现了一个子类，并且以NSKVONotifying_+类名来命名，将之前那个对象的isa指针指向了这个子类。
  重写了观察的对象setter方法，并且在重写的中添加了willChangeValueForKey:以及didChangeValueForKey:
• 移除Observer
  只是简单的将其的isa指向原来的类对象中

然后我们在分析一下， 在真正调用的setAge:的情况下, 根据消息机制我们知道它先通过isa找到对应对象的类，也就是现在NSKVONotifying_Person，然后再去找setAge:，由于NSKVONotifying_Person这个对象重写了这个方法，那么就会直接取当前的实现，也就是带有willChangeValueForKey:以及didChangeValueForKey:，那么自然就实现了对KVO的实现了。
参考：
isa-swizzling
整理了一下关于KVO的姿势

应用二、Method Swizzling

OC提供了以下API来动态替换类方法或实例方法的实现：

• class_replaceMethod替换类方法的定义
  当类中没有想替换的原方法时，该方法会调用class_addMethod来为该类增加一个新方法，这也是该API需要传入types参数的原因！！
  当需要替换的方法有可能不存在时，可以考虑该方法！

• method_exchangeImplementations交换两个方法的实现
  

  exchange

  其实内部实现是调用了两次method_setImplementation！当需要交换两个方法的实现时使用！

• method_setImplementation设置一个方法的实现
  最简单的用法，当仅仅需要为一个方法设置其实现方式时使用！

void methodSwizzInstance(Class class, SEL originalSelector, SEL swizzledSelector)
{
    Method originalMethod = class_getInstanceMethod(class, originalSelector);
    Method swizzledMethod = class_getInstanceMethod(class, swizzledSelector);
    method_exchangeImplementations(originalMethod, swizzledMethod);
}