iOS底层-类的探索分析之isa及继承链

前言

众所周知，OC是基于C/C++扩展而来的，那么也就是说OC也是面向对象的一门语言，即然是面向对象，必然就有类与对象的概念，我们就从以下几个方面分析一下OC的类。

ISA的分析

首先在我们的demo工程中打个断点，调试一下，如图所示：

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然后我们通过p/x person 命令查下person对象的地址,如图：

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我们再用x/4gx 0x0000000100707f30 读取这个地址，得到下图：

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"0x011d800100008365"这个就是我们的对象isa，
我们p/x 0x011d800100008365 & 0x00007ffffffffff8(isa的mask)命令执行一下，得到下图：

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接着，我们在po 0x0000000100008360 执行这个命令，打印下这个地址。

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0x0000000100008360 这个就是我们的RoPerson类。

我们再执行一下x/4gx 0x0000000100008360命令，得到下图结果：

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我们再po 0x0000000100008338 & 0x00007ffffffffff8一下，发现了一个奇怪的现象，如图：

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也是指向我们的RoPerson类

0x0000000100008360与0x0000000100008338 都输出了RoPerson类
这也说明了当前的类和我们的对象一样，可以无限开辟，内存中不止有一个类。

我们接着往下验证，分析。

//MARK: - 分析类对象内存存在个数
void RoTestClassNum(void){
    Class class1 = [RoPerson class];
    Class class2 = [RoPerson alloc].class;
    Class class3 = object_getClass([RoPerson alloc]);
    Class class4 = [RoPerson alloc].class;
    NSLog(@"\n%p-\n%p-\n%p-\n%p",class1,class2,class3,class4);
}

我们看下这段代码，看下打印果，如图：

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这个图可以看出来 0x0000000100008360是我们的类，而0x0000000100008338不是我们的类，那么0x0000000100008338是什么，我们知道对象有一个isa指向了类，类的isa指向了元素 这个元类在我们的代码中是没有存在的，我们用MachoView分析下我们demo的macho文件。

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在我们的Symbol Table找到了RoPerson的元类，也就是说编译器帮我们生成了元类。
我们知道元类也有isa，那么它的isa又指向哪里，我们接下来分析。

我们先x/4gx 0x0000000100008338这个地址，得到下图：

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我们再执行一下p/x 0x00007fff806b2360 & 0x00007ffffffffff8 得到下图：

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我们再po 0x00007fff806b2360,得到的是NSObject，看图：

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从上图可以看出，我们的元类的isa指向了根元类。
接着我们再执行p/x NSObject.class，得到下图

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再执行x/4gx 0x00007fff806b2388命令，得到下图：

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继续执行p/x 0x00007fff806b2360 & 0x00007ffffffffff8命令，如图所示：

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从上图可以看出根元类的isa又指向了自己，形成了一个闭环。

它的基本流程是：

对象的isa->类----isa------>元类----isa------>根元类----isa------>自身。
我们可以看下面一张图：

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继承链

我们先看下段代码

#pragma mark - NSObject 元类链
void RoTestNSObject(void){
    // NSObject实例对象
    NSObject *object1 = [NSObject alloc];
    // NSObject类
    Class class = object_getClass(object1);
    // NSObject元类
    Class metaClass = object_getClass(class);
    // NSObject根元类
    Class rootMetaClass = object_getClass(metaClass);
    // NSObject根根元类
    Class rootRootMetaClass = object_getClass(rootMetaClass);
    NSLog(@"\n%p 实例对象\n%p 类\n%p 元类\n%p 根元类\n%p 根根元类",object1,class,metaClass,rootMetaClass,rootRootMetaClass);
    
    // RoPerson元类
    Class pMetaClass = object_getClass(RoPerson.class);
    Class psuperClass = class_getSuperclass(pMetaClass);
    NSLog(@"%@ - %p",psuperClass,psuperClass);
}

我们看下打印结果，如图：

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从上图我们发现，NSobject的元类与根元类是同一个，RoPerson元类的父类是NSObject。
我们在上述代码中再加入以下代码

    // RoTeacher -> RoPerson -> NSObject
    Class tMetaClass = object_getClass(RoTeacher.class);
    Class tsuperClass = class_getSuperclass(tMetaClass);
    NSLog(@"%@ - %p",tsuperClass,tsuperClass);

我们再来看打印结果：

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从上图看出RoTeacher的元类是RoPerson，RoPerson的元类是NSObject,
也就是说元类也是继承链，下图所示

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图中可以看出：

1. 类的继承： Subclass->Superclass->Root class(根类)
2. 元类的继承：Subclass(meta)->Superclass(meta)->Root class(meta)
3. Subclass(meta)为Subclass的元类，以此类推。

我们在上述代码再加入以下代码

 // NSObject 根类特殊情况
 Class nsuperClass = class_getSuperclass(NSObject.class);
 NSLog(@"%@ - %p",nsuperClass,nsuperClass);
 // 根元类 -> NSObject
 Class rnsuperClass = class_getSuperclass(metaClass);
 NSLog(@"%@ - %p",rnsuperClass,rnsuperClass);

我们再来看下打印结果：

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从上图的结果我们可以得出以下结论:
根类没有父类，根元类的父类就是这个类，也就是NSObject，所有的类都来自于NSObject这就是继承链。
我们再来看下苹果官方的isa与继承链的图：

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这幅图很好说明了isa的指向关系和继承链。

类的结构分析

我们打开objc的源码，搜下struct objc_class，如图：

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我们从上图可以看到，objc_class继承objc_object

   // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

上述代码是类的结构，ISA为隐藏属性，superclass父类，class_data_bits_t 存放的是methodlist,ivarlist,property，接下来我们来分析和验证一下。

首先我们断点调试下，如图：

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接着我们在lldb中执行一下x/4gx RoPerson.class,得到下图

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0x00000001000083a8是isa在ISA分析的时候已经验证过。
0x000000010036a140是superclass，我们执行下 po 0x000000010036a140 验证，如图所示：

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NSObject即是RoPerson的superclass。
0x0000000100758910是我们的cache，我们这里先不讲，后续推出。
我们来讲下0x0002802800000003即bits。
我们要分析bits,就要平移isa的长度+superclass的长度+cache的长度，
isa的长度=8字节（结构体指针）
superclass的长度=8字节（结构体指针）
cache的长度=16字节
我们分析下cache的长度，cache是cache_t结构体，由于在结构体中，只有成员变量占用结构体大小（方法在方法区，不占用结构体内存），所以我们只需要分析以下代码所占用的内存大小

struct cache_t {
private:
    explicit_atomic _bucketsAndMaybeMask; // 8字节
    union {
        struct {
            explicit_atomic    _maybeMask; // 4字节
#if __LP64__
            uint16_t                   _flags; // 2字节
#endif
            uint16_t                   _occupied; // 2字节
        };
        explicit_atomic _originalPreoptCache; // 8字节
    };

从以上代码可以看出，cache的长度占用16字节，所以我们要平移8+8+16=32字节才能找到bits。
所以我们可以执行下p/x 0x00000001000083a8+0x20（0x20即32）这个命令，得到下图：

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我们再执行下p (class_data_bits_t )0x00000001000083c8得到下图：

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我们来看下$9的内存情况,我们执行下 p $9->data()命令data()是class_data_bits_t的方法，参考源码，得到下图：

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我们再取$11，执行命令p $11,得到以下图：

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接着我们执行p $3.properties()*，（重新运行项目，序号从0开始，不影响我们的验证），properties()是class_rw_t结构体中的方法，我们可以得到下图：

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接着我们要取出list，所以执行p $4.list命令，得到下图：

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接着我们再来执行p $5.ptr命令，得到下图

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再执行p *$6,得到下图：

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我们取一下property_list的内容，执行p $7.get(0)命令，如图所示：

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取到了，我们的name属性。
由于RoPerson中只有一个name属性，我们加一些代码，我把RoPerson的代码贴出来，如下所示：
.h文件

#import 

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface RoPerson : NSObject{
    NSString *subject;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, copy) NSString *hobby;

- (void)sayNB;
+ (void)say666;
@end

NS_ASSUME_NONNULL_END

.m文件

#import "RoPerson.h"

@implementation RoPerson

- (instancetype)init{
    if (self = [super init]) {
        self.name = @"robert";
    }
    return self;
}

- (void)sayNB{
    
}
+ (void)say666{
    
}
@end

重新运行我们的项目，然后断点和lldb调试，如图所示：

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name和hobby属性都取到了，而subject没有取到（我们这里先不提，后续补上），我们再看下methods，执行一系列lldb命令，如图所示

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这里就是方法列表。（这里没找到+ (void)say666这个方法，后续补上）

结语

以上就是个人对iOS类的探索和分析，还有一些不完整的地方，敬请批评指证，大家相互交流学习。