iOS底层初探

OC底层实现原理

oc对象以及类的是底层实现

首先，通过数据结构的特性可以猜测类的底层应该是结构体这种数据结构，因为类和实例的所包含的数据类型是多样的，所以不会是数组这种要求类型相同的数据类型，下面借助clang查看下oc类在底层的源码，涉及到的clang的命令行为clang -rewrite-objc fileName -o newFileName，如果只想查看在某平台如iphone，可以使用xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc fileName -o newFileName,这里为了方便理解，以一个空属性类PQStudnet为例:

这是oc代码

#import "PQStudetnt.h"

@implementation PQStudetnt

@end    

clang重写后的c代码如下，直接分析PQStudent的实现，可以通过源码印证我们之前的猜想，类的底层结构确实是一个结构体.通过一层层的推倒，我们可以发现最终类最后是一个结构体的指针typedef struct objc_class *Class;

#ifndef _REWRITER_typedef_PQStudent
#define _REWRITER_typedef_PQStudent
typedef struct objc_object PQStudent;
typedef struct {} _objc_exc_PQStudent;
#endif

struct PQStudent_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
};

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

typedef struct objc_class *Class;

并且我们知道在32位机器上，指针占用4个字节，64位机器上，指针占用8个字节，所以可以猜想，在没有其他成员属性的情况下，实例对象所占的内存位8个字节，在下面的讨论中，我们也会进一步的验证这个猜想是否正确。这里查看内存大小使用的是runtime的class_getInstanceSize和malloc的malloc_size方法，两个方法分别表示实例对象所占内存和系统分配的实际内存

    PQStudent *student = [[PQStudent alloc] init];
    NSLog(@"%zu",class_getInstanceSize([student class]));
    NSLog(@"%zu",malloc_size((__bridge const void *)(student)));

打印结果为：

2019-07-21 22:18:16.868854+0800 PQDeepDemo[8314:803169] 8
2019-07-21 22:18:16.868929+0800 PQDeepDemo[8314:803169] 16

通过打印结果可以看出，实例对象所占内存位8个字节，但是系统却给实例对象分配了16个字节，对于这个很多同学可能会有疑问，为什么两个结果会不一致呢？这个实现就需要通过分析源码理解了，源码下载地址,下面看下‘class_getInstanceSize’在源码中的实现：

    uint32_t alignedInstanceSize() {
        return word_align(unalignedInstanceSize());
    }
    uint32_t unalignedInstanceSize() {
        assert(isRealized());
        return data()->ro->instanceSize;
    }
    static inline uint32_t word_align(uint32_t x) {
    return (x + WORD_MASK) & ~WORD_MASK;
    }

其中# define WORD_MASK 7UL,所以可以看出该方法是按8字节的内存对齐策略，所以在没有其他成员变量，只有一个指针64位机长的情况下返回8；那为什么malloc_size返回16呢？所以我们就的看下allocWithZone的实现了，查看源码我们会发现有这么一段代码

    size_t instanceSize(size_t extraBytes) {
        size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
        // CF requires all objects be at least 16 bytes.
        if (size < 16) size = 16;
        return size;
    }

很容易发现在内存分配的过程中最小分配的单位是16字节，并且oc内存分配的时候内存对齐是按照16个字节。

oc对象划分：实例对象、类对象、元类对象

分析了oc的底层实现后，我们发现类结构体都有一个isa指针，那这个指针都指向哪里呢？实例对象、类对象、元类对象之间又是什么关系呢？下面会一一解答这些问题：

首先，我们要明确，oc中有三种对象，分别是实例对象、类对象和元类对象，可以结合下面图片进一步加深理解这三个对象之间的关系

1515550530997239.png

这里有同学可能会打印出实例的isa和其对应的类对象地址，会发现这两个不相等，这是因为在objective2.0之后isa添加了一个偏移量，需要&这个偏移量，通过图我们还能发现所有的元类对象的isa都是指向基元类对象的，并且基元类对象的superclass又指向根类对象。通过分析源码，我们还知道类对象中存储了实例方法，元类对象负责存储类方法，我们也清楚在找不到方法的时候，系统是会报找不到方法实现的错误的。但其实有个特殊情况，就是在元类对象中实现的方法，在根类方法中实现了，是不会报错的，并且会直接调用该实例方法。

小结

对于一门语言的底层要想深入的话，要不断的读取其源码，相对一些完全开源的语言，Objective-C的开源并没有那么彻底，所以我们在探究其底层实现，可能会遇到一些问题，希望同学们能积极的通过查找源码，大胆猜想的方式探索oc底层实现。最后，文章中如果有什么错误或者疑问，请在评论区指出。并且之后会添加关于其他oc底层实现的文章，如block的实现、kvo底层实现等，敬请期待！