iOS底层原理07：类 & 类结构分析

本文的主要目的是分析 类 & 类的结构，整篇都是围绕一个类展开的一些探索

类的分析

类的分析主要是分析 isa的走向 以及 继承关系
准备工作
定义两个类

• 继承自NSObject的类HTPerson

@interface HTPerson : NSObject
{
    NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end

@implementation HTPerson
- (void)sayHello
{}
+ (void)sayBye
{}
@end

• 继承自HTPerson的类HTTeacher

@interface HTTeacher : HTPerson
@end

@implementation HTTeacher
@end

• 在main中分别用两个定义两个对象：person & teacher

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        HTPerson *person = [[HTPerson alloc] init];
        HTTeacher *teacher = [[HTTeacher alloc] init];
        NSLog(@"person:%@======teacher:%@", person, teacher);
    }
    return 0;
}

元类

首先，我们先通过一个案例的lldb调试先引入元类

• 在main中HTTeacher部分加一个断点，运行程序
• 开启lldb调试，调试的过程如下图所示

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image

根据调试过程，我们产生了一个疑问：为什么图中的p/x 0x011d80010000828d & 0x00007ffffffffff8ULL 与 p/x 0x0000000100008260 & 0x00007ffffffffff8ULL 中的类信息打印出来都是HTPerson？

• 0x011d80010000828d 是person对象的isa指针地址，其&后得到的结果是 创建person的类HTPerson
• 0x0000000100008260是isa中获取的类信息所指的类的isa的指针地址，即 HTPerson类的类 的isa指针地址，在Apple中，我们简称HTPerson类的类为 元类
• 所以，两个打印都是HTPerson的根本原因就是因为元类导致的

元类的说明

下面来解释什么是元类，主要有以下几点说明：

• 我们都知道 对象的isa 是指向类，类其实也是一个对象，可以称为类对象，其isa的位域指向苹果定义的元类
• 元类是系统给的，其定义和创建都是由编译器完成，在这个过程中，类的归属来自于元类
• 元类 是类对象 的类，每个类都有一个独一无二的元类用来存储 类方法的相关信息。
• 元类本身是没有名称的，由于与类相关联，所以使用了同类名一样的名称

下面通过lldb命令来探索元类的走向，也就是isa的走位，如下图所示，可以得出一个关系链：对象 --> 类 --> 元类 --> NSObject的元类, NSObject的元类 指向自身

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总结

从图中可以看出

• 对象 的 isa 指向 类（也可称为类对象）
• 类 的 isa 指向 元类
• 元类 的 isa 指向 根元类，即NSObject的元类
• 根元类 的 isa 指向 它自己

著名的 isa走位 & 继承关系 图

根据上面的探索以及各种验证，对象、类、元类、根元类的关系如下图所示

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isa走位

isa的走向有以下几点说明：

• 实例对象（Instance of Subclass）的 isa 指向 类（class）
• 类对象（class） isa 指向 元类（Meta class）
• 元类（Meta class）的isa 指向 根元类（Root meta class）
• 根元类（Root meta class） 的isa 指向它自己本身，形成闭环，这里的根元类就是NSObject的元类

superclass走位

superclass（即继承关系）的走向也有以下几点说明：

• 类之间的继承关系：
  • 类（subClass） 继承自 父类（superClass）
  • 父类（superClass） 继承自 根类（RootClass），此时的根类是指NSObject
  • 根类 继承自 nil，所以根类即NSObject可以理解为万物起源，即无中生有
• 元类也存在继承，元类之间的继承关系如下：
  • 子类的元类（meta SubClass） 继承自 父类的元类（meta SuperClass）
  • 父类的元类（meta SuperClass） 继承自 根元类（Root meta Class）
  • 根元类（Root meta Class） 继承于 根类（Root class），此时的根类是指NSObject
• 【注意】实例对象之间没有继承关系，类之间有继承关系

objc_class & objc_object

isa走位我们理清楚了，又来了一个新的问题：为什么 对象 和 类都有isa属性呢？这里就不得不提到两个结构体类型：objc_class & objc_object

• 在objc4源码中搜索objc_class的定义，源码中对其的定义有两个版本

  • 旧版：位于runtime.h中，在OBJC2中已废弃
    

    image

  • 新版：位于objc-runtime-new.h中，我们后面的类的结构分析也是基于新版来分析的。
    

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从新版的定义中，可以看到 objc_class 结构体类型是继承自 objc_object的

• 在objc4源码中搜索objc_object的定义，发现也是有两个版本

  • 一个是位于objc.h中，从编译的main.cpp中可以看出，使用的是这个版本的objc_object
    

    image

  • 另外一个位于objc-privat.h
    

    image

以下是编译后的main.cpp中的objc_object 和NSObject_IMPL的定义

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa __attribute__((deprecated));
};

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

typedef struct objc_class *Class;

【问题】objc_class 与 objc_object 有什么关系？

通过上述的源码查找以及main.cpp中底层编译源码，有以下几点说明：

• objc_class 继承自objc_object类型，其中objc_object也是一个结构体，且有一个isa属性，所以objc_class也拥有了isa属性

• mian.cpp底层编译文件中，objc_object中的isa在底层是由Class 定义的，其中Class的底层编码是struct objc_class *的别名（即结构体指针），所以NSObject也拥有了isa属性

• NSObject是一个类，用它初始化一个实例对象objc，objc满足 objc_object的特性（即有isa属性），主要是因为isa 是由 NSObject 从objc_class继承过来的，而objc_class继承自objc_object，objc_object 有isa属性。所以对象都有一个 isa

• objc_object（结构体）是当前的根对象，所有的对象都有这样一个特性 objc_object，即拥有isa属性

总结

• 所有的对象、类、元类 都有isa属性
• 所有的对象都是由objc_object继承来的
• 简单概括就是万物皆对象，万物皆来源于objc_object，有以下两点结论：
  • 所有以objc_object为模板，创建的对象，都有isa属性
  • 所有以objc_class为模板，创建的类，都有isa属性

类结构分析

接下来主要是分析类信息中存储了哪些内容

内存偏移

在分析类结构之前，需要先了解内存偏移，因为类信息中访问时，需要使用内存偏移

普通指针

// 普通指针
int a = 10; // 变量
int b = 11;
int c = 12;
int d = 13;
NSLog(@"%d -- %p", a, &a);
NSLog(@"%d -- %p", b, &b);
NSLog(@"%d -- %p", c, &c);
NSLog(@"%d -- %p", d, &d);

打印结果如下图所示：

image

• 变量a、b、c、d存储在栈区，是连续的内存地址，栈区直接存储的是值
• a、b、c、d的地址之间都相差4字节，这取决于他们存储的类型，Int类型占4字节
• 栈区的地址 比 堆区的地址 大
• 栈是从高地址->低地址，向下延伸，由系统自动管理，是一片连续的内存空间
• 堆是从低地址->高地址，向上延伸，由程序员管理，堆空间结构类似于链表，是不连续的

对象指针

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 对象指针
        HTPerson *p1 = [[HTPerson alloc] init];
        HTPerson *p2 = [[HTPerson alloc] init];
        NSLog(@"%@ -- %p", p1, &p1);
        NSLog(@"%@ -- %p", p2, &p2);
        NSLog(@"end");
    }
    return 0;
}

打印结果如下图所示：

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• alloc开辟的内存在堆区，局部变量存储在栈区
• p1、p2存储在栈区，p1、p2内存中存储的是 [HTPerson alloc]的堆区地址

数组指针

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 数组指针
        int c[4] = {1,2,3,4};
        int *d = c;
        NSLog(@"%p - %p - %p ", &c, &c[0], &c[1]);
        NSLog(@"%p - %p - %p ", d, d+1, d+2);

        for (int i = 0; i<4; i++) {
            //(d+i) 取地址里面的值
            int value =  *(d+i);
            NSLog(@"value = %d",value);
        }
        NSLog(@"end");
    }
    return 0;
}

打印结果如下图所示：

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• &c 和 &c[0] 都是取 首地址，即数组名等于首地址
• &c 与 &c[1]相差4字节，地址之间相差的字节数，主要取决于存储的数据类型，即步长
• 可以通过 首地址+偏移量取出数组中的其他元素，其中偏移量等于步长 * 数组的下标

类结构组成

在前面的内容，我们可以得到类的首地址，但是我们还不清楚类的结构是什么，里面都存储了什么东东

打开objc-818.2源码，在objc-runtime-new.h中找到 objc_class的定义，如下

typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class : objc_object {
    ...
    // Class ISA;  // 8字节
    Class superclass; //8字节
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
    
    // ...方法部分省略，未贴出
}

objc_class继承自objc_object，因此拥有isa属性，从源码我们可以看出，objc_class包含下列四个变量：

• isa属性：结构体指针，继承自objc_object的isa，占8字节
• superclass属性：结构体指针，指向父类的地址，占8字节
• cache属性：是一个cache_t结构体类型，取决于cache_t内部结构体成员的大小，占16字节
• bits属性：是一个class_data_bits_t结构体类型，占8字节

我们可以通过lldb+sizeof()查看cache_t和class_data_bits_t的内存大小，如下图所示：

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【验证】objc_class的内存大小
定义两个类HTPerson和HTTeacher，通过断点来查看类和元类的地址，寻找规律

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• 从上图可以发现，这几个类地址之间相差0x28（40字节），正好和objc_class结构体中成员变量所占的内存相同，都是40字节

探究类里面的各个成员变量，成员变量的内存地址如下

• isa的内存地址是类首地址
• superclass的内存地址是首地址+0x8
• cache的内存地址是首地址+0x10
• bits的内存地址是首地址+0x20

isa属性

objc_class继承自objc_object，因此拥有isa属性，isa是结构体指针，占8字节

• 类对象（class） isa 指向 元类（Meta class）
• 元类（Meta class）的isa 指向 根元类（Root meta class）
• 根元类（Root meta class） 的isa 指向它自己本身，形成闭环，这里的根元类就是NSObject的元类

superclass属性

Class superclass; //8字节也是结构体指针，占8字节

• 类之间的继承关系：
  • 类（subClass） 继承自 父类（superClass）
  • 父类（superClass） 继承自 根类（RootClass），此时的根类是指NSObject
  • 根类 继承自 nil，所以根类即NSObject可以理解为万物起源，即无中生有
• 元类也存在继承，元类之间的继承关系如下：
  • 子类的元类（meta SubClass） 继承自 父类的元类（meta SuperClass）
  • 父类的元类（meta SuperClass） 继承自 根元类（Root meta Class）
  • 根元类（Root meta Class） 继承于 根类（Root class），此时的根类是指NSObject
• 【注意】实例对象之间没有继承关系，类之间有继承关系

cache属性

cache_t结构体大小

首先，我们来探究cache_t结构体，源码定义如下

typedef unsigned long           uintptr_t;

#if __LP64__
typedef uint32_t mask_t;  // x86_64 & arm64 asm are less efficient with 16-bits
#else
typedef uint16_t mask_t;
#endif

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
    };
    
    //...
    //下面是一些static属性和方法，并不影响结构体的内存大小，主要是因为static类型的属性 不存在结构体的内存中
}

cache_t是结构体类型，有两个成员变量：_bucketsAndMaybeMask和一个联合体

• _bucketsAndMaybeMask是uintptr_t类型，占8字节
• 联合体里面有两个成员变量：结构体和_originalPreoptCache，联合体由最大的成员变量的大小决定
  • _originalPreoptCache是preopt_cache_t *结构体指针，占8字节
  • 结构体中有_maybeMask、_flags、_occupied三个成员变量。
    • _maybeMask的大小取决于mask_t即uint32_t，占4字节
    • _flags是uint16_t类型，占2字节
    • _occupied是uint16_t类型，占2字节

所以cache_t的大小等于 8+8或者8+4+2+2，即16字节

我们看几个重要的函数

fastInstanceSize函数

size_t fastInstanceSize(size_t extra) const {}记录实例对象需要分配的内存大小（16字节对齐），我们在iOS底层原理02：alloc & init & new 源码分析已经分析过了

size_t fastInstanceSize(size_t extra) const
{
    ASSERT(hasFastInstanceSize(extra));

    // Gcc的内建函数 __builtin_constant_p 用于判断一个值是否为编译时常数，如果参数EXP 的值是常数，函数返回 1，否则返回 0
    if (__builtin_constant_p(extra) && extra == 0) {
        return _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK16;
    } else {
        size_t size = _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK;
        // remove the FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16 that was added
        // by setFastInstanceSize
        // 删除由setFastInstanceSize添加的FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16 8个字节
        return align16(size + extra - FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16);
    }
}

insert函数

void insert(SEL sel, IMP imp, id receiver);函数用来插入sel和imp，方法缓存，我们会在后面的篇章进行分析

bits属性

bits属性是class_data_bits_t结构体类型，有一个成员变量bits，占8字节，结构如下

struct class_data_bits_t {
    friend objc_class; // 友元：objc_class可以调用 class_data_bits_t中的私有属性和方法
    
    // Values are the FAST_ flags above.
    uintptr_t bits; // 8字节，类似于isa，通过位域来存储数据
    // ...
public:
    // 通过data()获取数据
    class_rw_t* data() const {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
    // ...方法较多
}

• 继续查看class_rw_t结构体

struct class_rw_t {
    // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
    uint32_t flags;
    uint16_t witness;
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    uint16_t index;
#endif

    explicit_atomic ro_or_rw_ext;

    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;
    
    // ...
    
    const class_ro_t *ro() const {...}
    
    void set_ro(const class_ro_t *ro) {...}
    
    const method_array_t methods() const {...}
    
    const property_array_t properties() const {...}
    
    const protocol_array_t protocols() const {...}
}

image.png

现在我们对objc_class的结构有了初步的认识，在后面的篇章中继续深入分析bits和cache两个属性

类结构分析传送门：

• iOS底层原理08：类结构分析——bits属性
• iOS底层原理09：类结构分析——cache属性