iOS-类的结构初探在类的实例对象创建过程中，通过alloc的分析，我们知道实例对象通过isa（unoin）存储了对应的

前言

在类的实例对象创建过程中，通过alloc的分析，我们知道实例对象通过isa（unoin）存储了对应的class的地址，从而将实例对象和class关联起来。那么，class到底是什么呢？我们来探索下。

预备知识

oc语言是c/c++的超集，为了便于研究底层结构，我们把oc源码转换成c++代码，这就需要使用LLVM的oc语言的前端编译器clang。

1.clang基本用法

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

该命令把目标文件编译成c++文件，方便我们研究底层代码。

2.当目标文件中引用了UIKit等framework时，需要指定平台、系统版本、sdk等信息

clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtinme=ios-13.2.0 -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.2.sdk main.m -o main.cpp

如上指令指定了arc、系统版本、模拟器sdk等

3.xcrun clang

xcode安装了xcrun命令，对clang进行了一些封装，更好用写。建议使用。真机：

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main_arm_64.cpp

模拟器：

xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch x86_64 -rewrite-objc main.m -o main_x86_64.cpp

一、isa的存在性

1.探索源码

@interface LGPerson : NSObject

@property(nonatomic, strong) NSString *name;

@end

@implementation LGPerson

@end

定义一个继承自NSObject的LGPerson类，为了便于研究底层结构,使用clang转成c++代码

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc LGPerson.m -o LGPerson_arm64.cpp

针对LGPerson_arm64.cpp进行分析, 搜索LGPerson,找到如下代码块：

#ifndef _REWRITER_typedef_LGPerson
#define _REWRITER_typedef_LGPerson
typedef struct objc_object LGPerson;
typedef struct {} _objc_exc_LGPerson;
#endif

extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_LGPerson$_name;
struct LGPerson_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
	NSString * _Nonnull _name;
};

主要由两部分组成：

定义LGPerson类

typedef struct objc_object LGPerson;

定义结构体LGPerson_IMPL:

extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_LGPerson$_name;
struct LGPerson_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
	NSString * _Nonnull _name;
};

1. 实例对象底层: isa指向objc_class

第二部分代码：

extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_LGPerson$_name;
struct LGPerson_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
	NSString * _Nonnull _name;
};

是LGPerson实例对象的底层结构：一个包含数据成员NSObject_IVARS，_name的结构体。

_name就是属性对应的实例变量，用于存储属性数据。
NSObject_IVARS是一个struct，找到其定义：

struct NSObject_IMPL {
	Class isa;
};

可知，这是NSObject的实例对象的结构。

typedef struct objc_class *Class;

isa是一个指向objc_class的结构体指针
由此可知：所有的实例对象内部，有一个isa，指向objc_class。
通过alloc的源码分析可知：在64位架构下，isa通常情况下对应的不再是一个纯指针，而是一个优化后的nonpointer。

2. objc_class：继承objc_object

struct objc_class : objc_object {
	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();
    }
  ...
 }

3. objc_object: 只有isa

这样回到了我们已经熟悉的objc_object:

struct objc_object {
	private:
    	isa_t isa;
    ...
}

4. 总结

objc_object是所有的基石，是一个结构体，具有isa_t类型的isa
类的底层是objc_class结构体，继承自objc_object，同样具有isa
实例对象底层是一个结构体，根据继承规则，最终源头来自于NSObject对应的结构体：只有一个成员：Class isa，指向objc_class，所以所有的实例对象仍然具有一个isa
以objc_object为模板，oc中万物都是对象

二.isa的指向性

源码：

LGPerson *person = [[LGPerson alloc] init];
person.name = @"zxdix";

1. 实例对象isa指向类 Class

利用LLDB指令，断点调试，取出实例对象person的isa指向：

2.类的isa指向：元类 metaClass

继续查看LGPerson的内存：再次查找isa指向，发现仍是一个LGPerson，但是内存地址不同，称之为元类metaClass

3.元类的isa指向：根元类 rootMetaClass, 根元类的isa指向自己

继续探索isa：发现，元类的isa指向一个NSObject，这个NSObject的isa指向自己。然后机会进入无限循环，不会再出现新的东西了。
那么这个NSObject是什么呢？是我们平时说的根类NSObject(NSObject.class)吗？由上图可知此处的NSObject并不是根类(NSObject.class)，反而是根类(NSObject.class)的isa,称之为根元类

4. isa走向总结：实例对象->类对象->元类对象->根元类对象

根元类也是元类，所以指向自己
用一个经典的图说明如下：（ps：太懒了，偷了一个嘿嘿）

三、superclass的指向

在objc_class定义中, 有一个数据成员superclass：

struct objc_class : objc_object {
	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();
    }
  ...
 }

顾名思义，应该是指向父类对象，我们通过查看内存验证下（还是研究isa时的使用的代码，懒就一个字）： superclass确实指向父类。验证一遍类的superclass，同样验证一遍元类metaClass的superclass，可以得到如下的继承图：有两点需要注意：

NSObject(class)的superclass是nil
NSObject(metaClass, 根元类)的superclass是NSObject(class，根类)，也就是说无论是类还是元类，沿着继承树追追溯，最终到nil结束。

结合isa，可以得到一个经典的走位图：（ps:偷图会上瘾的）

四、类的结构初探

objc_class的源码如下：

struct objc_class : objc_object {
	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();
    }
  ...
 }

分析类对象的内存结构(arm64架构下)：粗看，具有4个成员

继承自objc_object, 所以第一个变量是isa，8个字节
superclass, 指针， 8字节
cache, 陌生的cache_t结构，未知
bits，未知

1. cache_t分析

源码初看很复杂，有很定未知的定义，但是看结构，分成3个部分：

static变量不会存在结构体中，忽略
第1部分，#if...#elif...#elif..#else...#endif结构，其实就是两个变量：以第一个#if为例：_buckets、mask。explicit_atomic是个泛型定义，本质存储的是struct bucket_t *指针和mask_t（uint32）。其他if分支也是一样的，长度一致。 3.第2部分，2字节：typedef unsigned short uint16_t(LP64是成立的：指的是long、pointer类型都是64位的); 4.第3部分，同样也是2字节；所以cache_t的size是： 8 + 4 + 2 + 2 = 16字节

2. 类的内存结构

到此，我们知道objc_class的内存分布如下图： bits成员的地址偏移是32，则通过class的首地址偏移32字节，即为bits的地址。

3. 获取class_rw_t

利用地址偏移，可以获取bits的地址，从而读取class_rw_t:

4. methods、properties

在class_rw_t中有几个重要的方法:methods、properties。我们可以通过打印输出内容。

methods：可知里面存放了实例方法的相关信息。

(lldb) p/x LGPerson.class
(Class) $1 = 0x0000000100002188 LGPerson
(lldb) p/x (class_data_bits_t*)(0x00000001000021a8)  // 偏移32字节
(class_data_bits_t *) $2 = 0x00000001000021a8
(lldb) p *$2
(class_data_bits_t) $3 = (bits = 4320411204)
(lldb) p $3.data()
(class_rw_t *) $4 = 0x0000000101843e40
(lldb) p *$4
(class_rw_t) $5 = {
  flags = 2148007936
  witness = 1
  ro_or_rw_ext = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = 4294975592
  }
  firstSubclass = nil
  nextSiblingClass = NSUUID
}
(lldb) p $5.methods()
(const method_array_t) $6 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
     = {
      list = 0x00000001000020b0
      arrayAndFlag = 4294975664
    }
  }
}
(lldb) p $6.list
(method_list_t *const) $7 = 0x00000001000020b0
(lldb) p *$7
(method_list_t) $8 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
    entsizeAndFlags = 26
    count = 3
    first = {
      name = ".cxx_destruct"
      types = 0x0000000100000f8d "v16@0:8"
      imp = 0x0000000100000e60 (KCObjc`-[LGPerson .cxx_destruct])
    }
  }
}
(lldb) p $8.get(1)
(method_t) $10 = {
  name = "name"
  types = 0x0000000100000f95 "@16@0:8"
  imp = 0x0000000100000e90 (KCObjc`-[LGPerson name])
}
(lldb) p $8.get(2)
(method_t) $11 = {
  name = "setName:"
  types = 0x0000000100000f9d "v24@0:8@16"
  imp = 0x0000000100000eb0 (KCObjc`-[LGPerson setName:])
}

properties: 存放了属性相关信息

(lldb) p $5.properties()
(const property_array_t) $12 = {
  list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002128
      arrayAndFlag = 4294975784
    }
  }
}
(lldb) p $12.list
(property_list_t *const) $14 = 0x0000000100002128
(lldb) p *($14)
(property_list_t) $15 = {
  entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> = {
    entsizeAndFlags = 16
    count = 1
    first = (name = "name", attributes = "T@\"NSString\",&,N,V_name")
  }
}