ios底层原理-类的结构探索

jiahaoshen123
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接下来，深入探索类的结构

一、isa走位

在对象的初始化过程中，学习了对象isa的初始化，并且isa中的shiftcls指向了对象所对应的类。

通过以下案例我们可以再次验证这一点，即对象内存结构的前八个字节是对象的isa，并且指向了p1对象的类JHSPerson。见下图：

1.png

1.元类

在前面我们已经知道objc_class继承于objc_object,万物皆对象，也就是说，类也有一个isa指针，那么类isa指向什么呢？ 接着上面，打印JHSPerson类中的isa指针所指向的内容，发现也是JHSPerson!难道类isa指向自己吗？ 不是，我们发现对象isa所指向的JHSPerson类的地址为。。。。。，而JHSPerson类中isa所指向的JHSPerson地址为。。。。。，说明这是两个不同的类！见下图：

2.png

这里引入一个元类的概念，元类的定义和创建都是由编译器自动完成！可以理解为，为类的方法找到一个归属！其实这里类的isa指向了元类，这些操作是编译器完成的。

  • 总结

对象isa -> 类，类isa -> 元类。

2.根元类

在上面的案例中，我们通过类对象的isa找到了元类对象，元类既然也是对象，那么它的isa又指向谁呢？ 依然是上面的案例，我们打印JhsPerson元类isa的指向，结果是NSObject！？见下图：

3.png 验证一下：NSObject类的地址和JhsPerson元类isa所指向的NSObject是否相同？见下图：

4.png 从打印结果发现，并不相同！那么NSObject类的isa又指向什么呢？

5.png 从结果中可以发现，NSObject类的isa指向NSObject元类，JhsPerson元类isa也指向NSObject元类。因为NSObject是所有类的根类，所以将NSObject元类称为根元类。 那么根元类的isa又指向哪里呢？见下图：

6.png 通过打印根元类的内存空间，发现根元类的isa指向了自己。

  • 总结

元类isa -> 根元类，NSObject isa -> 根元类，根元类 isa -> 自己。

3.isa走位总结

补充：创建一个JhsTeacher类，继承JhsPerson类，同样按照上面的分析方式，发现JhsPerson类的isa指向的是根元类，JhsTeacher元类的isa也指向根元类。

通过上面的isa分析，可以得出isa的走位图：

7.png

二.superclass走位

在进行superclass走位分析之前，先要确定superclass指针所在位置，查看objc_class源码实现：

struct objc_class : objc_object {

  objc_class(const objc_class&) = delete;

  objc_class(objc_class&&) = delete;

  void operator=(const objc_class&) = delete;

  void operator=(objc_class&&) = delete;

    // 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);

    }
    
    ....
    ....
    
    等等......
 }

通过上面的源码可以确定，superclass指针在类的第二个8字节中

1.类superclass

引入一个案例JhsTeacher继承自JhsPerson，JhsPerson继承NSObject，以我们现有的知识储备，很容理解superclass的走位，即：JhsTeacher superclass -> JhsPerson，JhsPerson superclass -> NSObject，NSObject superclass -> nil。

1.png

2.元类superclass

类的superclass我们很熟悉，也很好理解，那么元类的superclass走位是怎样的呢？

同样的思路，首先找到LGTeacher元类，然后根据元类superclass开始分析。

2.png

从上面的流程可以发现，JhsTeacher元类的superclass指向JhsPerson，JhsPerson的superclass指向NSObject，NSObject的superclass指向NSObject根类。通过验证可以确定，这里的JhsPerson为元类，并且其superclass指向的是NSObject元类。

  • 总结

JhsTeacher元类 superclass -> JhsPerson元类，JhsPerson元类 superclass -> NSObject元类，NSObject元类 superclass -> NSObject类。

3.superclass总结

根据上面的分析，可以确定以下superclass走位图：

3.png

  • isa、superclass总结，这里使用苹果官方的一走位图，将isa和superclass放在一起

isa流程图.png

三.类结构分析

在进行类的结构分析前，需要明确的是OC层与c\c++层的对应关系。见下图：

4.png

  • OC层，万物皆对象，大部分的类均继承自NSObject。
  • 使用clang查看源码，定义的别名NSObject为objc_object类型。
  • c\c++层，类的定义为objc_class，继承自objc_object，与OC层一致，万物皆对象。

1.类的结构初步分析

在libObjc.A.dylib库中，全局搜索obj_class，得到其源码实现：

struct objc_class : objc_object {

  objc_class(const objc_class&) = delete;

  objc_class(objc_class&&) = delete;

  void operator=(const objc_class&) = delete;

  void operator=(objc_class&&) = delete;

    // 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);

    }

  ....... 等等

 }

类中包含四个重要的属性，Class ISA、Class superclass、cache_t cache、class_data_bits_t bits。

  • isa和superclass前面已经做了分析，这两个指针确定了类之间的关系。

  • cache中存储了运行中的一些缓存信息，比如消息缓存。从objc_class提供的方法可以看出，在获取一些数据时，优先从缓存中获取，如果没有缓存，则从bits中获取。这样设计的目的是保证响应速度。

  • bits，类中相关的数据信息都存储在了bits中。

2.cache_t cache

cache_t源码如下：


private:

    explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask;

    union {

        struct {

            explicit_atomic<mask_t>    _maybeMask;

#if __LP64__

            uint16_t                   _flags;

#endif

            uint16_t                   _occupied;

        };

        explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache;

    };
    
    ......等等
 }
  • 结构体空间大小

解读cache_t源码，提供了两个属性，_bucketsAndMaybeMask和一个联合体，其中_bucketsAndMaybeMask为uintptr_t泛型，占8个字节。联合体中包含一个结构体和一个指针，所以联合体也占用8个字节，所以cache_t一共占用16字节的内存空间。

2.class_data_bits_t bits

class_data_bits_t是一个结构体，objc_class为其提供了两个重要的方法，data()和setData()。

  // objc_class - 类
   class_rw_t *data() const {

        return bits.data();

    }

    void setData(class_rw_t *newData) {

        bits.setData(newData);

    }
    
   // class_data_bits_t - rw 
   class_rw_t* data() const {

        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);

    }

    void setData(class_rw_t *newData)

    {

        ASSERT(!data()  ||  (newData->flags & (RW_REALIZING | RW_FUTURE)));
        uintptr_t newBits = (bits & ~FAST_DATA_MASK) | (uintptr_t)newData;

        atomic_thread_fence(memory_order_release);

        bits = newBits;

    }

在类的实现过程中，会创建一个class_rw_t，会将MachO文件中的class_ro_t数据拷贝一份到class_rw_t中，并设置到类中。在class_rw_t中提供了一些方法，可以获取类的属性、协议、分类、方法等。

四.类结构探索

引入一个案例，来探索类的结构，定义了JhsPerson类，包括了两个属性，一个成员变量，一个对象方法和一个类方法，见下面代码：

@interface JhsPerson : NSObject{

    NSString *subject;

}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;

@property (nonatomic, copy) NSString *hobby;

- (void)sayNB;

+ (void)say666;

@end


int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        // 0x00007ffffffffff8

        JhsPerson *p = [[JhsPerson alloc]init];

    

        JhsTeacher *t = [[JhsTeacher alloc]init];

        NSLog(@"%@",p);   

    }
    
    return 0;
 }

设置断点，运行程序，获取JhsPerson类的地址，并答应类的内存结构。见下图：

5.png

很显然0x0000000100008278为指向元类的isa，0x0000000100379140为superclass，那么如果要探索bits数据，应该查看那部分地址呢？

从上面的源码结构可以知道，isa占用8字节，superclass占用8字节，cache占用16字节，所以只要类地址平移32字节即可获取bits的首地址！

其中类的首地址为0x1000082a0，那么bits首地址 = 0x1000082a0 + 0x20。 通过上面的分析，将bits首地址强制转换为class_data_bits_t *即可成功获取class_data_bits_t数据结构。见下图：

1.png

2.png

此时bits不等于空，所以类中已经存储了相关的数据信息。继续探索，我们上面已经说明，class_data_bits_t结构体中提供了data()方法，用于获取class_rw_t，class_rw_t是在类初始化过程中已经被创建了，并且class_rw_t的相关数据来自MachO文件中ro数据！

下面获取class_rw_t内容：

3.png

4.png

我们已经探索到了类的class_rw_t中，在这里我们可以获取相关的地方、属性等内容。

1.探索方法

查看源码可知，在class_rw_t中提供了const method_array_t methods()方法，在这里寻找突破口。

5.png

至此获取到了method_list_t，并且里面有count = 5个方法，只要便利该列表就可以拿到相关方法了。打印输出第一个元素：

6.png 很遗憾没有输出结果，为空？查看method_t的源码实现，内部有一个big结构体，该结构体包括了方法编号SEL，方法type encoding，和方法实现。

struct method_t {

    static const uint32_t smallMethodListFlag = 0x80000000;

    method_t(const method_t &other) = delete;

    // The representation of a "big" method. This is the traditional

    // representation of three pointers storing the selector, types

    // and implementation.

    struct big {

        SEL name;

        const char *types;

        MethodListIMP imp;

    };
    .....等等
 }

打印输出big数据，见下图：

缺一张图

成功输出了五个方法！其中name和hobby属性会自动生成get\set方法，但是没有类方法，全是对象方法！！！类+say666()方法在哪里呢？

2.探索属性

和探索方法一样的方式，通过调用class_rw_t中的properties()方法，可以获取属性列表。运行结果如下：

8.png

成功找到了name和hobby两个属性，那么成员变量subject放在哪里呢，name和hobby对应的_成员变量又放在那呢？``

3.class_ro_t谜底

走读class_rw_t的源码，并没有发现存储变量的相关属性，也没有获取变量的相关方法，但是在const class_ro_t *ro()方法获取的class_ro_t结构体中有一个属性const ivar_list_t * ivars;，并且是一个常量！说明在编译之初已经确定，运行时也不会修改！

下面从ro()方法中寻找突破口！见下图：

9.png

在class_ro_t中，包括方法列表、协议列表、变量列表等，成员变量是否存储在这里呢？进去看看：

10.png

完美，成功找到了JhsPerson的三个成员变量，subject、_name、_hobby均已找到！！！

4.类方法 --- 待补充

五.ro rw rwe补充

  • ro属于clean memory，在编辑时即确定的内存空间，只读，加载后不会发生改变的内存空间，包括类名称、方法、协议和实例变量的信息；

  • rw的数据空间属于dirty memory，rw是运行时的结构，可读可写，由于其动态性，可以往类中添加属性、方法、协议。在运行时会发生变更的内存。

  • rwe类的额外信息。在rw中只有10%的类真正的更改了他们的方法，并不是每一个类都需要插入数据，进行修改的类很少，避免资源的消耗，所以就有了rwe。

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