类的底层原理

DragonetZ
516 阅读6分钟

这篇文件来探索类的底层

类探索

一个自定义类的类名是我们决定的，所以我们想进行类探索，就得看看我们定义的类，在底层是如何被定义的。

1、将OC代码转换成c++代码

先准备一个自定义类DZPerson，在类中定义一个成员变量(_nick)，一个属性(nameStr)。实现了一个方法(-saySomethine)和一个类方法(+sayHello)

@interface DZPerson : NSObject
{
    NSString *_nick;
}
@property (copy, nonatomic) NSString *nameStr;
@end

@implementation DZPerson
- (void)saySomething {
    NSLog(@"%s", __func__);
}

+ (void)sayHello {
    NSLog(@"%s", __func__);
}
@end

在main中进行初始化。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        NSLog(@"Hello, World!");
        
        DZPerson *person = [DZPerson alloc];
    }
    return 0;
}

使用终端，进入到main.m文件所在的路径，使用clang命令，编译main.m文件

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

输出main.cpp，打开这个文件，在里面进行搜索DZPerson，作为线索的出发点：

typedef struct objc_object DZPerson;

⏬⏬⏬

struct DZPerson_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
	NSString *_nick;
};

⏬⏬⏬

struct NSObject_IMPL {
	Class isa;
};

⏬⏬⏬

typedef struct objc_class *Class;
  • 自定义类的类名是struct objc_object结构体的别名。
  • 找到了一个struct DZPerson_IMPL结构体，包含两个成员属性：
    • 另一个结构体struct NSObject_IMPL，通过名字中的字段，了解到这个应该是父类NSObject
    • 我们定义的成员_nick
  • 查看NSObject_IMPL结构体，里面有一个成员isa，是Class类型。
  • 最后在文件中找到Class是struct objc_class *结构体指针类型。

通过以上逻辑，我们的目标转移到struct objc_object和struct objc_class这两个结构体上了。

2、struct objc_object & struct objc_class

看看这两个结构体在源码中的定义，代码比较长，我只截获了需要我们研究的部分：

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:
    //这里定义了一些函数，先省略
    ...
}

struct objc_class : 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

    class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }
    void setData(class_rw_t *newData) {
        bits.setData(newData);
    }
    //省略后续代码
    ...
}
  • objc_object中只有一个成员：isa
  • objc_class继承自objc_object：
    • 第一个成员就是父类objc_object中的isa（苹果的注释还是挺人性的）
    • superclass，字面意思很清楚，super类
    • cache，缓存相关信息
    • bits，里面存放类的相关数据（成员、属性、方法、协议等相关数据信息）
    • 后面还有很多函数，可以自行去查看一下。（此处记录bits的getter和setter函数，因为后面要用到）

通过以上的源码查看和相关的简要分析，我们可以确认自定义类在底层会被转化成objc_class类型的结构体。实例对象在底层就是objc_object类型。通过下面的两行源码，可以直接证明：

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

此时看文章的你可能会有个疑惑：objc_class继承自objc_object，==那么类也是对象？==

3、万物皆对象

OC中类也是对象，如何证明呢？我们知道，实例对象中的isa指向的是类，类中也有isa，我们通过lldb来看看类的isa： 我们以文章开头的代码为例：

DZPerson *person = [DZPerson alloc];

lldb执行截图：

  1. 打印person的内存情况x/4gx perosn：首地址中的第一个值是person对象的isa。
  2. 从person的isa中读取类信息地址（通过一个系统定义好的宏，进行获取）。
  3. po得到的值，也就是图片中第一个红框，打印是DZPerosn，地址是：0x0000000100002378
  4. 再用与查看person内存相同的方式，产看得到的0x0000000100002378的内存情况，也就是查看DZPerson类的内存
  5. 获取DZPerson的isa，并po一下，打印的结果页是DZPerson，但是地址和前面打印的地址不同。这个第二个DZPerosn是元类。
  6. 继续查看元类isa，打印出来的是NSObject，但是它不是NSObject类，而是NSObject的元类，也就是根元类。而根元类的isa指向还是根元类

简单来说，==实例对象isa指向类，类isa指向元类，元类isa指向根元类，根元类的isa指向根元类。==通过一张图，可以更好的理解isa的走位指向： 图中虚线代表isa走位，实现代表superclass走位。

==因此：类是元类的实例对象，而元类是根元类的示例对象。所以说，类也是对象，万物接对象==。

4、lldb调试打印类中的信息

接下来我们用lldb来看看类中存储的属性、方法，前文说到这些信息都存储在class_data_bits_t bits中，使用指针偏移的方式就可以获取到bits。 此处放一张objc_class的源码截图： 拿到class在内存中的首地址，分别加上属性isa、superclass和cache占用的内存大小，就可以得到bits的地址。

isa和superclass都是指针类型，所以分别占用8字节。

那么现在需要计算cache占用多少字节，看看cache_t的源码：

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;
    explicit_atomic<mask_t> _mask;
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;
    
    //省略静态成员变量
    ...
#else
#error Unknown cache mask storage type.
#endif
    
#if __LP64__
    uint16_t _flags;
#endif
    uint16_t _occupied;

public:
    //省略后面的函数
    ...
}
  • 首先是编译条件的公式#if和#elif，里面都是有两个成员变量，分别是指针类型和mask_t类型。指针占用8个字节，mask_t是uint32_t的别名，也就是占中4个字节。
  • _flags和_occupied分别占用2个字节，因为是uint16_t类型。
  • 其余的就是静态成员和函数，在结构体中的静态成员和函数是不占用结构体内存空间的。因此得出cache_t cache成员在结构体中占用16字节

==那么想要得到class_data_bits_t bits的偏移量，就是isa+superclass+cache=8+8+16=32，转换成十六进制就是20==

条件满足，我们开始打印类中的信息：

  • 打印类地址：直接获取DZPerson的首地址 首地址的第一个元素就是类的isa，所以我们直接以十六进制打印即可。

  • 获取bits，拿到首地址进行+20偏移，20是前面计算出来的（0x0000000100002398 = 0x0000000100002378 + 20）。并且进行强制类型转换

  • 调用class_rw_t *data() const函数（前文中，objc_class源码中的函数），得到地址，打印地址中的值：

  • 接下来用class_rw_t中的methods()函数，可以获取到方法列表：

  • list函数获取列表的首地址，打印地址的值后，用get查看到类中的所有方法。通过下图能看到类中定义的saySomething方法、属性nameStr的setter和getter方法，还有一个系统生成的.cxx_destruct方法：

  • 类中还定义了一个类方法+ (void)sayHello，在这里是看不到的。因为类方法存在元类中。

通过上面的方式我们就可以产看到类中方法，也可以证明，方法是存在类中。同样，通过class_rw_t中的properties()可以获取到属性、protocols()获取协议。

成员变量存在ro中，通过函数ro()获取：

总结

  1. 通过查看c++代码，我们找到了类的底层定义objc_class，并且知道类中也存在isa指针。
  2. 通过isa走位图，知道类也是对象，并推到出‘万物皆对象’。
  3. 通过lldb一步步看到类中的属性、方法、协议以及成员在类中如何存储的。

希望本文能对你有所帮组，如果有些的不好的地方，还请指出，谢谢！

avatar
文章
阅读
粉丝