《OC底层系列四》-isa&superclass分析

前言

• 通过上一篇 《OC底层系列三》-对象和类的关联中我们知道对象的类信息存储在其isa中的的shiftcls中，类实例化的对象的isa指向该类。
• 同时也留下了一些疑问
  1、 OC对象的isa(其位域成员shiftcls)中的存着类的信息，OC类也是一个对象，那么OC类的isa(其位域成员shiftcls)存储着什么呢？
  2、 源码中objc-class有一个superclass，我们可以推测superclass代表当前类的父类，那NSObject类的superclass存储着什么？
• 今天继续来探究isa以及superclass。

目录

目录.png

1、简介

• 本文主要从结合底层源码，并通过lldb来分析对象、类、元类、根源类的isa指向和superclass指向，验证apple官方的isa&superclass走位图。
  apple官方走位图如下：

isa&superclass.png

lldb指令复习

lldb指令复习.png

2、isa走位

在可编译运行调试的objc-781源码工程中，创建Person类

// Person.h
@interface Person : NSObject

@end

// Person.m
@implementation Person

@end

main.m添加断点如下：

image.png

我们使用lldb命令进行验证。

2.1、对象的isa指向类

• isa走位分析1相关lldb命令的输出结果：

// 获取p1的内存地址
(lldb) p/x p1
(Person *) $0 = 0x0000000102a042c0
// 打印p1的内存信息
(lldb) x/4gx p1
0x102a042c0: 0x001d8001000080f9 0x0000000000000000
0x102a042d0: 0x5376614e534e5b2d 0x7265536465726168
// 获取p1的isa指向的内存地址
(lldb) p/x 0x001d8001000080f9 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $2 = 0x00000001000080f8
// 打印p1的isa指向的内存地址description
(lldb) po 0x00000001000080f8
Person
// 打印Person.class的内存地址
(lldb) p/x Person.class
(Class) $4 = 0x00000001000080f8 Person
// 打印object_getClass(p1)的内存地址
(lldb) p/x object_getClass(p1)
(Class) $5 = 0x00000001000080f8 Person

  在上一篇《OC底层系列三》-对象和类的关联里我们知道，对象的类信息存储在其isa中的的shiftcls中，对象和类的通过对象中的ias的shiftcls进行关联，class方法本质上返回的是isa的shiftcls，其底层实现通过isa.bit& ISA_MASK（0x00007ffffffffff8ULL）获取到shiftcls的值。
  通常我们可以理解为类实例化的对象的isa指向该类。
  isa走位分析结果1的lldb打印结果再次印证此过程；同时我们还知道，类的底层实际上是一个objc_class的结构体，继承自objc_object。

2.2、类isa指向元类

前面我们得到Person类的内存地址为0x00000001000080f8
继续使用lldb进行调试分析如下图：

• isa走位分析2相关lldb命令

// 打印Person类的内存信息
(lldb) x/4gx 0x00000001000080f8
0x1000080f8: 0x00000001000080d0 0x0000000100333028
0x100008108: 0x0000000102a15c60 0x0001801000000003
// 获取Person类的isa指向的内存地址
(lldb) p/x 0x00000001000080d0 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $6 = 0x00000001000080d0
// 打印Person类的isa指向的内存地址的description
(lldb) po $6
Person

  通过isa走位分析2我们可以看到，Person类的isa还是指向一个Person，我们称之为Person元类。
上面的过程用图描述如下：

image.png

和官方的isa指向一致。

2.3、元类的isa指向NSObject元类

• NSObject元类也称为根元类。在上一步得到Person元类的地址0x00000001000080d0，接下来验证Person元类的isa指向NSObject元类。

• isa走位分析3相关lldb命令

// 打印Person元类的内存信息
(lldb) x/4gx 0x00000001000080d0
0x1000080d0: 0x0000000100333000 0x0000000100333000
0x1000080e0: 0x0000000102a161c0 0x0004e03100000007
// 获取Person元类的isa指向的内存地址
(lldb) p/x 0x0000000100333000 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $7 = 0x0000000100333000
// 获取Person元类的isa指向的内存地址的description
(lldb) po $7
NSObject

• isa走位分析3中，Person元类的isa指向0x0000000100333000，0x0000000100333000就是NSObject元类的地址。

2.4、NSObject元类isa指向自身

• 在上一步得到NSObject元类的地址0x0000000100333000，接下来验证NSObject元类的isa指向自身（NSObject元类）。

• isa走位分析4相关lldb命令

// 打印NSObject元类的内存信息
(lldb) x/4gx 0x0000000100333000
0x100333000: 0x0000000100333000 0x0000000100333028
0x100333010: 0x00000001006b66d0 0x0004e03100000007
// 获取NSObject元类的isa指向的内存地址
(lldb) p/x 0x0000000100333000 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $8 = 0x0000000100333000
// 获取NSObject元类的isa指向的内存地址的description
(lldb) po $8
NSObject

• 有isa走位分析4可以看到，NSObject元类的isa的值为0x0000000100333000，和NSObject元类的地址一致，其NSObject元类的isa的值仍然是0x0000000100333000，证明了NSObject元类isa指向自身。

2.5、NSObject类的isa指向NSObject元类

• 前面得到NSObject元类的地址0x0000000100333000，接下来验证NSObject类的isa指向NSObject元类。
  
  isa走位图5.png
• isa走位分析5相关lldb命令

// 获取NSObject类的内存地址
(lldb) p/x NSObject.class
(Class) $9 = 0x0000000100333028 NSObject
// 打印NSObject类指向内存的信息
(lldb) x/4gx 0x0000000100333028
0x100333028: 0x0000000100333000 0x0000000000000000
0x100333038: 0x0000000102a16020 0x0001801000000003
// 获取NSObject类的isa指向的内存地址
(lldb) p/x 0x0000000100333000 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $10 = 0x0000000100333000
// 打印NSObject类isa的description
(lldb) po $10
NSObject

• 由isa走位分析5可以看到，NSObject类的内存地址为0x0000000100333028
  ，NSObject类的isa的值为0x0000000100333000，NSObject类的isa指向0x0000000100333000，即NSObject元类。

2.6、NSObject类的实例的isa指向NSObject类

• 上一步得到NSObject类的地址0x0000000100333028
• isa走位分析6相关lldb命令

// 获取01的内存地址
(lldb) p/x o1
(NSObject *) $11 = 0x0000000102a15ca0
// 打印o1内存信息
(lldb) x/4gx o1
0x102a15ca0: 0x001d800100333029 0x0000000000000000
0x102a15cb0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
// 获取o1的isa指向的内存信息
(lldb) p/x 0x001d800100333029 &0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $13 = 0x0000000100333028
// 获取o1的isa指向的内存信息的description
(lldb) po $13
NSObject

• 由isa走位分析6可以看到，o1实例的isa的值为0x001d800100333029，指向0x0000000100333028，为NSObject类的地址，证明了NSObject类的实例的isa指向NSObject类。
  将上面过程用图表示如下：
  
  image.png

和官方的isa指向一致。

3、superclass走位

• 这里主要验证NSObject元类和NSObject类的superclass的走位。
• superclass在类的内存的第2个8字节，前面我们得到NSObject的类内存为0x0000000100333028,NSObject元类内存地址为0x0000000100333000。
• superclass分析lldb命令和输出结果如下：

// 打印NSObject类指向内存的信息
(lldb) x/4gx 0x0000000100333028
0x100333028: 0x0000000100333000 0x0000000000000000
0x100333038: 0x0000000102a16020 0x0001801000000003

// 打印NSObject元类指向内存的信息
(lldb) x/4gx 0x0000000100333000
0x100333000: 0x0000000100333000 0x0000000100333028
0x100333010: 0x00000001006b66d0 0x0005e03100000007

• NSObject类的第2个8字节为0x0000000000000000，即nil，证明了NSObject类的 superclass为nil。
• NSObject元类的第2个8字节为0x0000000100333028，即NSObject类，证明了NSObject元类的superclass为NSObject类。

4、总结

• 本文使用lldb命令验证了apple官方的isa&superclass走位图

• 针对前言提到的疑问，通过lldb命令我们可以知道
  1、OC类的isa(其位域成员shiftcls)存储着其元类的信息。
  2、NSObject类的superclass指向nil，NSObject元类的superclass指向NSObject类。

• 接下来会对类的结构进行分析，探究类的属性、成员变量、实例方法、类方法等信息在底层的实现。