刨根问底Objective－C Runtime（4）－ 成员变量与属性
刨根问底Objective－C Runtime（4）－ 成员变量与属性
上一篇笔记讲述了objc runtime中消息和Category的细节，本篇笔记主要是讲述objc runtime的 成员变量和属性。
习题内容
下面代码会? Compile Error / Runtime Crash / NSLog…?
@interface Sark : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end
@implementation Sark
- (void)speak
{
NSLog(@"my name is %@", self.name);
}
@end
@interface Test : NSObject
@end
@implementation Test
- (instancetype)init
{
self = [super init];
if (self) {
id cls = [Sark class];
void *obj = &cls;
[(__bridge id)obj speak];
}
return self;
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
[[Test alloc] init];
}
return 0;
}
答案：代码正常输出，输出结果为：
2014-11-07 14:08:25.698 Test[1097:57255] my name is <Test: 0x1001002d0>
为什么呢?
前几节博文中多次讲到了objc_class结构体，今天我们再拿出来看一下：
struct objc_class {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
Class super_class OBJC2_UNAVAILABLE;
const char *name OBJC2_UNAVAILABLE;
long version OBJC2_UNAVAILABLE;
long info OBJC2_UNAVAILABLE;
long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_ivar_list *ivars OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list **methodLists OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_cache *cache OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_protocol_list *protocols OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
其中objc_ivar_list结构体存储着objc_ivar数组列表，而objc_ivar结构体存储了类的单个成员变量的信息。
那么什么是Ivar呢？
Ivar 在objc中被定义为：
typedef struct objc_ivar *Ivar;
它是一个指向objc_ivar结构体的指针，结构体有如下定义：
struct objc_ivar {
char *ivar_name OBJC2_UNAVAILABLE;
char *ivar_type OBJC2_UNAVAILABLE;
int ivar_offset OBJC2_UNAVAILABLE;
#ifdef __LP64__
int space OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
这里我们注意第三个成员 ivar_offset。它表示基地址偏移字节。
在编译我们的类时，编译器生成了一个 ivar布局，显示了在类中从哪可以访问我们的 ivars 。看下图:
上图中，左侧的数据就是地址偏移字节，我们对 ivar 的访问就可以通过 对象地址 ＋ ivar偏移字节的方法。但是这又引发一个问题，看下图:
我们增加了父类的ivar，这个时候布局就出错了，我们就不得不重新编译子类来恢复兼容性。
而Objective－C Runtime中使用了Non Fragile ivars，看下图:
使用Non Fragile ivars时，Runtime会进行检测来调整类中新增的ivar的偏移量。 这样我们就可以通过 对象地址 ＋ 基类大小 + ivar偏移字节的方法来计算出ivar相应的地址，并访问到相应的ivar。
我们来看一个例子:
@interface Student : NSObject
{
@private
NSInteger age;
}
@end
@implementation Student
- (NSString *)description
{
return [NSString stringWithFormat:@"age = %d", age];
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
Student *student = [[Student alloc] init];
student->age = 24;
}
return 0;
}
上述代码，Student有两个被标记为private的ivar，这个时候当我们使用 -> 访问时，编译器会报错。那么我们如何设置一个被标记为private的ivar的值呢?
通过上面的描述，我们知道ivar是通过计算字节偏量来确定地址，并访问的。我们可以改成这样:
@interface Student : NSObject
{
@private
int age;
}
@end
@implementation Student
- (NSString *)description
{
NSLog(@"current pointer = %p", self);
NSLog(@"age pointer = %p", &age);
return [NSString stringWithFormat:@"age = %d", age];
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
Student *student = [[Student alloc] init];
Ivar age_ivar = class_getInstanceVariable(object_getClass(student), "age");
int *age_pointer = (int *)((__bridge void *)(student) + ivar_getOffset(age_ivar));
NSLog(@"age ivar offset = %td", ivar_getOffset(age_ivar));
*age_pointer = 10;
NSLog(@"%@", student);
}
return 0;
}
上述代码的输出结果为:
2014-11-08 18:24:38.892 Test[4143:466864] age ivar offset = 8
2014-11-08 18:24:38.893 Test[4143:466864] current pointer = 0x1001002d0
2014-11-08 18:24:38.893 Test[4143:466864] age pointer = 0x1001002d8
2014-11-08 18:24:38.894 Test[4143:466864] age = 10
我们可以清晰的看到指针地址的变化和偏移量，和我们上述描述一致。
说完了Ivar， 那Property又是怎么样的呢？
使用clang -rewrite-objc main.m重写题目中的代码，我们发现Sark类中的name属性被转换成了如下代码:
struct Sark_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
NSString *_name;
};
// @property (nonatomic, copy) NSString *name;
/* @end */
// @implementation Sark
static NSString * _I_Sark_name(Sark * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_Sark$_name)); }
static void _I_Sark_setName_(Sark * self, SEL _cmd, NSString *name) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct Sark, _name), (id)name, 0, 1); }
类中的Property属性被编译器转换成了Ivar，并且自动添加了我们熟悉的Set和Get方法。
我们这个时候回头看一下objc_class结构体中的内容，并没有发现用来专门记录Property的list。我们翻开objc源代码，在objc-runtime-new.h中，发现最终还是会通过在class_ro_t结构体中使用property_list_t存储对应的propertyies。
而在刚刚重写的代码中，我们可以找到这个property_list_t:
static struct /*_prop_list_t*/ {
unsigned int entsize; // sizeof(struct _prop_t)
unsigned int count_of_properties;
struct _prop_t prop_list[1];
} _OBJC_$_PROP_LIST_Sark __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
sizeof(_prop_t),
1,
name
};
static struct _class_ro_t _OBJC_CLASS_RO_$_Sark __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
0, __OFFSETOFIVAR__(struct Sark, _name), sizeof(struct Sark_IMPL),
(unsigned int)0,
0,
"Sark",
(const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_INSTANCE_METHODS_Sark,
0,
(const struct _ivar_list_t *)&_OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_Sark,
0,
(const struct _prop_list_t *)&_OBJC_$_PROP_LIST_Sark,
};
解惑
1）为什么能够正常运行，并调用到speak方法？
id cls = [Sark class];
void *obj = &cls;
[(__bridge id)obj speak];
obj被转换成了一个指向Sark Class的指针，然后使用id转换成了objc_object类型。这个时候的obj已经相当于一个Sark的实例对象(但是和使用[Sark new]生成的对象还是不一样的)，我们回想下Runtime的第二篇博文中objc_object结构体的构成就是一个指向Class的isa指针。
这个时候我们再回想下上一篇博文中objc_msgSend的工作流程，在代码中的obj指向的Sark Class中能够找到speak方法，所以代码能够正常运行。
2) 为什么self.name的输出为 <Test: 0x1001002d0> ?
我们在测试代码中加入一些调试代码和Log如下:
- (void)speak
{
unsigned int numberOfIvars = 0;
Ivar *ivars = class_copyIvarList([self class], &numberOfIvars);
for(const Ivar *p = ivars; p < ivars+numberOfIvars; p++) {
Ivar const ivar = *p;
ptrdiff_t offset = ivar_getOffset(ivar);
const char *name = ivar_getName(ivar);
NSLog(@"Sark ivar name = %s, offset = %td", name, offset);
}
NSLog(@"my name is %p", &_name);
NSLog(@"my name is %@", *(&_name));
}
@implementation Test
- (instancetype)init
{
self = [super init];
if (self) {
NSLog(@"Test instance = %@", self);
void *self2 = (__bridge void *)self;
NSLog(@"Test instance pointer = %p", &self2);
id cls = [Sark class];
NSLog(@"Class instance address = %p", cls);
void *obj = &cls;
NSLog(@"Void *obj = %@", obj);
[(__bridge id)obj speak];
}
return self;
}
@end
输出结果如下:
2014-11-11 00:56:02.464 Test[10475:1071029] Test instance = <Test: 0x10010fb60>
2014-11-11 00:56:02.464 Test[10475:1071029] Test instance pointer = 0x7fff5fbff7c8
2014-11-11 00:56:02.465 Test[10475:1071029] Class instance address = 0x1000023c8
2014-11-11 00:56:02.465 Test[10475:1071029] Void *obj = <Sark: 0x7fff5fbff7c0>
2014-11-11 00:56:02.465 Test[10475:1071029] Sark ivar name = _name, offset = 8
2014-11-11 00:56:02.465 Test[10475:1071029] my name is 0x7fff5fbff7c8
2014-11-11 00:56:02.465 Test[10475:1071029] my name is <Test: 0x10010fb60>
Sark中Propertyname最终被转换成了Ivar加入到了类的结构中，Runtime通过计算成员变量的地址偏移来寻找最终Ivar的地址，我们通过上述输出结果，可以看到 Sark的对象指针地址加上Ivar的偏移量之后刚好指向的是Test对象指针地址。
这里的原因主要是因为在C中，局部变量是存储到内存的栈区，程序运行时栈的生长规律是从地址高到地址低。C语言到头来讲是一个顺序运行的语言，随着程序运行，栈中的地址依次往下走。
看下图，可以清楚的展示整个计算的过程：
我们可以做一个另外的实验，把Test Class 的init方法改为如下代码：
@interface Father : NSObject
@end
@implementation Father
@end
@implementation Test
- (instancetype)init
{
self = [super init];
if (self) {
NSLog(@"Test instance = %@", self);
id fatherCls = [Father class];
void *father;
father = (void *)&fatherCls;
id cls = [Sark class];
void *obj;
obj = (void *)&cls;
[(__bridge id)obj speak];
}
return self;
}
@end
你会发现这个时候的输出变成了:
2014-11-08 21:40:36.724 Test[4845:543231] Test instance = <Test: 0x10010fb60>
2014-11-08 21:40:36.725 Test[4845:543231] ivar name = _name, offset = 8
2014-11-08 21:40:36.726 Test[4845:543231] Sark instance = 0x7fff5fbff7b8
2014-11-08 21:40:36.726 Test[4845:543231] my name is 0x7fff5fbff7c0
2014-11-08 21:40:36.726 Test[4845:543231] my name is <Father: 0x7fff5fbff7c8>
关于C语言内存分配和使用的问题可参考这篇文章 http://www.th7.cn/Program/c/201212/114923.shtml。
- 本文是关于Objective C Runtime的学习笔记。有不对的地方，欢迎大家指正。
- 感谢@唐巧_boy和@sunnyxx 分享题目。
- 本文由@Chun 发表于Chun Tips .
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Posted by Chun Ye Nov 8th, 2014 1:52 pm objective-c runtime
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Comments
- 3条评论
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Pavel1986请问博主，2014-11-08 18:24:38.892 Test[4143:466864] age ivar offset = 8
这age的offset为什么是8，我理解Student对象的前边就一个isa，之后就是age，这样理解age的offset是4。有点不解，望博主赐教。 -
Chun Ye回复 Pavel1986: hi，你好，因为文中Ivar一节中配图所标示的运行环境是 32Bit，此时的offset == 4， 而我的测试代码中的运行环境是 64Bit，此时的offset == 8
-
乙
请问下，我改装了下，我把int换成NSString，就报指针错误了哇？
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