iOS底层原理总结 - 探寻Class的本质

Class的本质

我们知道不管是类对象还是元类对象，类型都是Class，class和mete-class的底层都是objc_class结构体的指针，内存中就是结构体，本章来探寻Class的本质。

Class objectClass=[NSObjectclass];Class objectMetaClass=object_getClass([NSObjectclass]);

点击Class来到内部，我们可以发现

typedefstructobjc_class*Class;

Class对象其实是一个指向objc_class结构体的指针。因此我们可以说类对象或元类对象在内存中其实就是objc_class结构体。

我们来到objc_class内部，可以看到这段在底层原理中经常出现的代码。

structobjc_class{Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;#if!__OBJC2__Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;constchar*_Nonnull name                              OBJC2_UNAVAILABLE;longversion                                            OBJC2_UNAVAILABLE;longinfo                                                OBJC2_UNAVAILABLE;longinstance_size                                      OBJC2_UNAVAILABLE;structobjc_ivar_list*_Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;structobjc_method_list*_Nullable*_Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;structobjc_cache*_Nonnull cache                      OBJC2_UNAVAILABLE;structobjc_protocol_list*_Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;#endif}OBJC2_UNAVAILABLE;/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

这部分代码相信在文章中很常见，但是OBJC2_UNAVAILABLE;说明这些代码已经不在使用了。那么目前objc_class的结构是什么样的呢？我们通过objc源码中去查找objc_class结构体的内容。

部分objc_class代码内容

我们发现这个结构体继承 objc_object 并且结构体内有一些函数，因为这是c++结构体，在c上做了扩展，因此结构体中可以包含函数。我们来到objc_object内，截取部分代码

objc_object内部分代码

我们发现objc_object中有一个isa指针，那么objc_class继承objc_object，也就同样拥有一个isa指针

那么我们之前了解到的，类中存储的类的成员变量信息，实例方法，属性名等这些信息在哪里呢。我们来到class_rw_t中，截取部分代码，我们发现class_rw_t中存储着方法列表，属性列表，协议列表等内容。

class_rw_t部分代码

而class_rw_t是通过bits调用data方法得来的，我们来到data方法内部实现。我们可以看到，data函数内部仅仅对bits进行&FAST_DATA_MASK操作

data方法内部实现

而成员变量信息则是存储在class_ro_t内部中的，我们来到class_ro_t内查看。

class_ro_t内部代码

最后总结通过一张图进行总结

窥探struct objc_class的结构

如何证明上述内容是正确的。

我们可以自定义一个结构体，如果我们自己写的结构和objc_class真实结构是一样的，那么当我们强制转化的时候，就会一一对应的赋值。此时我们就可以拿到结构体内部的信息。

下列代码是我们仿照objc_class结构体，提取其中需要使用到的信息，自定义的一个结构体。

#import#ifndefXXClassInfo_h#defineXXClassInfo_h#if__arm64__#defineISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL#elif__x86_64__#defineISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL#endif#if__LP64__typedefuint32_tmask_t;#elsetypedefuint16_tmask_t;#endiftypedefuintptr_t cache_key_t;structbucket_t{cache_key_t _key;IMP _imp;};structcache_t{bucket_t*_buckets;mask_t _mask;mask_t _occupied;};structentsize_list_tt{uint32_tentsizeAndFlags;uint32_tcount;};structmethod_t{SEL name;constchar*types;IMP imp;};structmethod_list_t:entsize_list_tt{method_t first;};structivar_t{int32_t*offset;constchar*name;constchar*type;uint32_talignment_raw;uint32_tsize;};structivar_list_t:entsize_list_tt{ivar_t first;};structproperty_t{constchar*name;constchar*attributes;};structproperty_list_t:entsize_list_tt{property_t first;};structchained_property_list{chained_property_list*next;uint32_tcount;property_t list[0];};typedefuintptr_t protocol_ref_t;structprotocol_list_t{uintptr_t count;protocol_ref_t list[0];};structclass_ro_t{uint32_tflags;uint32_tinstanceStart;uint32_tinstanceSize;// instance对象占用的内存空间#ifdef__LP64__uint32_treserved;#endifconstuint8_t*ivarLayout;constchar*name;// 类名method_list_t*baseMethodList;protocol_list_t*baseProtocols;constivar_list_t*ivars;// 成员变量列表constuint8_t*weakIvarLayout;property_list_t*baseProperties;};structclass_rw_t{uint32_tflags;uint32_tversion;constclass_ro_t*ro;method_list_t*methods;// 方法列表property_list_t*properties;// 属性列表constprotocol_list_t*protocols;// 协议列表Class firstSubclass;Class nextSiblingClass;char*demangledName;};#defineFAST_DATA_MASK          0x00007ffffffffff8ULstructclass_data_bits_t{uintptr_t bits;public:class_rw_t*data(){// 提供data()方法进行 & FAST_DATA_MASK 操作return(class_rw_t*)(bits&FAST_DATA_MASK);}};/* OC对象 */structxx_objc_object{void*isa;};/* 类对象 */structxx_objc_class:xx_objc_object{Class superclass;cache_t cache;class_data_bits_t bits;public:class_rw_t*data(){returnbits.data();}xx_objc_class*metaClass(){// 提供metaClass函数，获取元类对象// 上一篇我们讲解过，isa指针需要经过一次 & ISA_MASK操作之后才得到真正的地址return(xx_objc_class*)((longlong)isa&ISA_MASK);}};#endif/* XXClassInfo_h */

接下来我们将自己定义的类强制转化为我们自定义的精简的class结构体类型。

#import#import#import"XXClassInfo.h"/* Person */@interfacePerson:NSObject{@publicint_age;}@property(nonatomic,assign)intheight;-(void)personMethod;+(void)personClassMethod;@end@implementationPerson-(void)personMethod{}+(void)personClassMethod{}@end/* Student */@interfaceStudent:Person{@publicint_no;}@property(nonatomic,assign)intscore;-(void)studentMethod;+(void)studentClassMethod;@end@implementationStudent-(void)studentMethod{}+(void)studentClassMethod{}@endintmain(intargc,constchar*argv[]){@autoreleasepool{NSObject*object=[[NSObject alloc]init];Person*person=[[Person alloc]init];Student*student=[[Student alloc]init];xx_objc_class*objectClass=(__bridge xx_objc_class*)[object class];xx_objc_class*personClass=(__bridge xx_objc_class*)[person class];xx_objc_class*studentClass=(__bridge xx_objc_class*)[student class];xx_objc_class*objectMetaClass=objectClass->metaClass();xx_objc_class*personMetaClass=personClass->metaClass();xx_objc_class*studentMetaClass=studentClass->metaClass();class_rw_t*objectClassData=objectClass->data();class_rw_t*personClassData=personClass->data();class_rw_t*studentClassData=studentClass->data();class_rw_t*objectMetaClassData=objectMetaClass->data();class_rw_t*personMetaClassData=personMetaClass->data();class_rw_t*studentMetaClassData=studentMetaClass->data();// 0x00007ffffffffff8NSLog(@"%p %p %p %p %p %p",objectClassData,personClassData,studentClassData,objectMetaClassData,personMetaClassData,studentMetaClassData);return0;}

通过打断点，我们可以看到class内部信息。

至此，我们再次拿出那张经典的图，挨个分析图中isa指针和superclass指针的指向

isa、superclass指向图

instance对象

首先我们来看instance对象，我们通过上一篇文章知道，instance对象中存储着isa指针和其他成员变量，并且instance对象的isa指针是指向其类对象地址的。我们首先分析上述代码中我们创建的object，person，student三个instance对象与其相对应的类对象objectClass，personClass，studentClass。

instance对象分析

从上图中我们可以发现instance对象中确实存储了isa指针和其成员变量，同时将instance对象的isa指针经过&运算之后计算出的地址确实是其相应类对象的内存地址。由此我们证明isa，superclass指向图中的1，2，3号线。

class对象

接着我们来看class对象，同样通过上一篇文章，我们明确class对象中存储着isa指针，superclass指针，以及类的属性信息，类的成员变量信息，类的对象方法，和类的协议信息，而通过上面对object源码的分析，我们知道这些信息存储在class对象的class_rw_t中，我们通过强制转化来窥探其中的内容。如下图

personClassData内结构

上图中我们通过模拟对person类对象调用.data函数，即对bits进行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)运算，并转化为class_rw_t。即上图中的personClassData。其中我们发现成员变量信息，对象方法，属性等信息只显示first第一个，如果想要拿到更多的需要通过代码将指针后移获取。而上图中的instaceSize = 16也同person对象中isa指针8个字节+_age4个字节+_height4个字节相对应起来。这里不在展开对objectClassData及studentClassData进行分析，基本内容同personClassData相同。

那么类对象中的isa指针和superclass指针的指向是否如那张经典的图示呢？我们来验证一下。

类对象的isa指针和superclass指针指向

通过上图中的内存地址的分析，由此我们证明isa，superclass指向图中，isa指针的4，5，6号线，以及superclass指针的10，11，12号线。

meta-class对象

最后我们来看meta-class元类对象，上文提到meta-class中存储着isa指针，superclass指针，以及类的类方法信息。同时我们知道meta-class元类对象与class类对象，具有相同的结构，只不过存储的信息不同，并且元类对象的isa指针指向基类的元类对象，基类的元类对象的isa指针指向自己。元类对象的superclass指针指向其父类的元类对象，基类的元类对象的superclass指针指向其类对象。

与class对象相同，我们同样通过模拟对person元类对象调用.data函数，即对bits进行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)运算，并转化为class_rw_t。

personMetaClassData内结构

首先我们可以看到结构同personClassData相同，并且成员变量及属性列表等信息为空，而methods中存储着类方法personClassMethod。

接着来验证isa及superclass指针的指向是否同上图序号标注一样。

meta-class的isa指针指向

上图中通过地址证明meta-class的isa指向基类的meta-class，基类的isa指针也指向自己。

meta-class的superclass指针指向

上图中通过地址证明meta-class的superclass指向父类的meta-class，基类的meta-class的superclass指向基类的class类。