Objective-C 中对象/类/元类的本质1. Class (类) 1. Class (类)的本质 objc_cl

1. Class (类)

1. Class (类)的本质

在 objc/runtime.h 中，Class(类) 被定义为指向 objc_class 结构体的指针，objc_class 结构体的数据结构如下：

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa;                                          // objc_class 结构体的实例指针
#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class;                                 // 指向父类的指针
    const char * _Nonnull name;                                  // 类的名字
    long version;                                                // 类的版本信息，默认为 0
    long info;                                                   // 类的信息，供运行期使用的一些位标识
    long instance_size;                                          // 该类的实例变量大小;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars;                     // 该类的实例变量列表
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists; // 方法定义的列表
    struct objc_cache * _Nonnull cache;                          // 方法缓存
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols;             // 遵守的协议列表
#endif
};

objc_class 结构体的第一个成员变量是 isa 指针，isa 指针 保存的是objc_class结构体的实例指针，换言之，Class(类)的本质就是一个对象，称之为 类对象。

2. Method (方法)

objc_class 结构体的 struct objc_method_list **methodLists(方法列表)结构体用来存储方法的列表

struct objc_method_list {
    struct objc_method_list * _Nullable obsolete;
    int method_count;
#ifdef __LP64__
    int space;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_method method_list[1];
}

在 objc/runtime.h 中， Method(方法)被定义为指向objc_method 结构体的指针,objc_method 结构体数据结构：

typedef struct objc_method *Method;

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name;                    // 方法名
    char * _Nullable method_types;               // 方法类型
    IMP _Nonnull method_imp;                     // 方法实现
};

objc_method结构体中包含了 method_name(方法名)，method_types(方法类型：方法的参数类型和返回值类型) 和 method_imp(方法实现)。Method 将 SEL(方法声明) 和 IMP(方法实现)关联起来(键值对：SEL: IMP)，当对一个对象发送消息时，会通过给出的 SEL(方法声明)去找到 IMP(方法实现)，然后执行。

1. SEL (方法声明)

在 objc/objc.h中， SEL(方法声明)被定义为指向 objc_selector结构体的指针。

typedef struct objc_selector *SEL;

在runtime相关头文件中并没有找到明确的定义。通过测试得出： SEL 只是一个保存方法名的字符串。Objective-C 在编译时，会依据每一个方法的名字、参数序列，生成一个唯一的整型标识(Int类型的地址)，这个标识就是 SEL。

2. IMP (方法实现)

在 objc/objc.h中，IMP(方法实现)被定义为指向函数的指针。

#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id _Nullable (*IMP)(id _Nonnull, SEL _Nonnull, ...); 
#endif

IMP 的实质是一个函数指针，所指向的就是方法的实现。IMP用来找到函数地址，然后执行函数。

IMP 指向的函数函第一个参数是指向self的指针(如果是实例方法，则是类实例的内存地址；如果是类方法，则是指向元类的指针)，第二个参数是 SEL 类型的方法选择器，接下来是方法的实际参数列表，并返回一个 id。通过一组 id和 SEL 参数就能确定唯一的方法实现地址。也就是说 IMP 是消息最终调用的执行代码，是方法真正的实现代码。

3. method_types (方法类型)

method_types 是个字符串，用来存储方法的参数类型和返回值类型。

3. Ivar (实例变量)

objc_class 结构体的 struct objc_ivar_list *ivars(实例变量列表)中结构体用来存储成员变量的列表。

struct objc_ivar_list {
    int ivar_count;
#ifdef __LP64__
    int space;
#endif
    /* variable length structure */
    struct objc_ivar ivar_list[1];
}

在 objc/runtime.h 中， Ivar(实例变量)被定义为指向objc_ivar 结构体的指针,objc_ivar 结构体数据结构：

typedef struct objc_ivar *Ivar;

struct objc_ivar {
    char * _Nullable ivar_name;	//实例变量名称  
    char * _Nullable ivar_type;	//实例变量类型  
    int ivar_offset;						//基地址偏移字节
#ifdef __LP64__
    int space;
#endif
}

4. Cache (方法缓存)

objc_class 结构体的 struct objc_cache *cache(方法缓存)。在 objc/runtime.h 中，Cache(方法缓存)被定义为指向objc_cache 结构体的指针,objc_cache 结构体数据结构：

typedef struct objc_cache *Cache
struct objc_cache {
    unsigned int mask /* total = mask + 1 */;
    unsigned int occupied;
    Method _Nullable buckets[1];
}

Cache为方法调用的性能进行优化，每当实例对象接收到一个消息时，它不会直接在 isa 指针指向的类的方法列表中遍历查找能够响应的方法，因为每次都要查找效率太低了，而是优先在Cache中查找。

Runtime系统会把被调用的方法存到Cache中，如果一个方法被调用，那么它有可能今后还会被调用，下次查找的时候就会效率更高。

5. Protocol (协议)

objc_class 结构体的struct objc_protocol_list *protocols(遵守的协议列表)，中存放的元素就Protocol(协议)；

typedef struct objc_object Protocol;
struct objc_protocol_list {
    struct objc_protocol_list * _Nullable next;
    long count;
    __unsafe_unretained Protocol * _Nullable list[1];
};

在 objc/runtime.h 中， Protocol(协议)被定义为objc_object结构体。

#ifdef __OBJC__
@class Protocol;
#else
typedef struct objc_object Protocol;
#endif

2. Object (对象)

在 objc/objc.h 中，Object（对象）被定义为 objc_object 结构体，其数据结构如下：

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa;  // objc_class 结构体的实例指针  
};

typedef struct objc_object *id;

objc_object 结构体只包含一个 Class 类型的 isa 指针。即， objc_object 结构体唯一保存的就是它所属 Class(类)的地址。

3. Meta Class (元类)

对象（objc_object 结构体） 的 isa 指针 指向的是对应的 类对象（object_class 结构体）。那么 类对象（object_class 结构体）的 isa 指针 又指向 类对象 自身的 Meta Class（元类）。

Runtime 中把类对象所属类型就叫做 Meta Class（元类），用于描述类对象本身所具有的特征，而在元类的 methodLists 中，保存了类的方法链表，即所谓的「类方法」。并且类对象中的 isa 指针 指向的就是元类。每个类对象有且仅有一个与之相关的元类。

4. 对象、类、元类之间的关系

isa 指针：
1. 实例对象的 isa 指针 指向对应的 类对象， 类对象 的 isa 指针 指向对应的 元类。(所有)元类的 isa 指针 最终指向 根(NSObject)元类。
2. 注意：(所有)元类包括根(NSObject)元类，即，根元类的 isa 指针 指向自己。
父类指针：
类对象的父类指针指向父类对象，父类对象的父类指针指向根类(NSObject)对象，根类(NSObject)对象的父类指针指向nil;
元类的父类指针指向父类对象的元类,父类对象的元类的父类指针指向根(NSObject)元类,根(NSObject)元类的父类指针指向根类(NSObject)对象, 根类(NSObject)对象的父类指针指向 nil 。

Objective-C 中 对象/类/元类的本质