OC底层学习-类的底层结构探究上篇

不管你学习的有多慢，只要不原地踏步那也是一种进步！

前言

上一章节中探索了对象的本质和isa关联类的过程，了解到对象的本质是一个结构体，而且是通过其内部成员变量isa关联到类的，那类又是个什么东西呢？那就进入本章节的探讨内容。

类（Class）

在OC中万物皆对象，而对象中都会存在一个isa指向类，那么类的isa又是指向哪呢，有什么作用呢，下面通过代码和lldb调试来看一看:

isa指向

• 对象isa指向

创建一个LhkhPerson类，实例化一个对象p

这边验证了一下对象的isa指向类 对象isa ---> 类，接着得到类的指针地址0x0000000100794520，得到类的地址，那么是不是也可以看一下类的结构呢？接着lldb调试：

• 类isa指向

通过lldb继续调试上面获取到的类的地址，得到类的isa，然后也通过与上掩码0x00007ffffffffff8，得到一个新的地址**0x00000001007944f8**，输出得到也是LhkhPerson，所以得出类的isa--->与类同名的一个类。

• 类VS同名类

这就让我们百思不得其解了，都是LhkhPerson，为什么指针地址不一样呢？到底哪个才是LhkhPerson真正的指针地址呢？接下来通过代码验证一下：

通过上面这段代码打印发现都是0x0000000100794520，那可以确定LhkhPerson的指针地址就是这个，那0x00000001007944f8这个地址到底是什么呢？

• 元类诞生

这个时候需要通过MachOView工具来分析一下machO可执行文件

然后右击 show in Finder ，再右击显示包内容，将可执行文件拖入到MachOView工具上，

通过MachOView分析可以看到在项目编译过后，通过查看符号表，发现系统给LhkhPerson生成了一个元类，而上面遗留的那个问题对应的类正是这个元类。

• 元类总结

  • 通过上面分析，元类是由系统编译过后产生的，类的名称和其关联的元类的名称是一样的；
  • 对象的isa指向类，类的isa指向元类。

• 元类isa指向

那元类有没有类结构呢，或者其isa又是指向谁呢？接着这个问题我们往下走：

继续通过lldb发现元类的isa指向根元类，而根元类的isa指向根元类自己。

• isa指向总结

通过上面代码调试和MachOView工具的分析最终得到了isa的指向：

对象---isa--->类---isa--->元类---isa--->根元类---isa--->根元类

根据这个可以得到一个isa指向图

isa的指向图探索出来了，我们一般在项目中都会有类继承，那么class是怎么继承1的呢？

class类的继承链

- 类继承链

LhkhTeacher是继承自LhkhPerson，LhkhPerson是继承自NSObject，通过打印LhkhTeather和LhkhPerson还有NSObject的父类，得出它们之间的继承链为LhkhTeather---继承--->LhkhPerson---继承--->NSObject 既然类都有一条继承链，那么元类呢？

- 元类继承链

LhkhPerson继承自NSObject，打印可以得到其元类，根元类，根根元类地址都是0x7fff80030638，而LhkhPerson元类的父类打印地址结果也为0x7fff80030638，并且得到这个地址指向NSObject，即根元类；那么是不是可以得到任何一个对象的元类的父类就是根元类呢？

LhkhTeacher是继承自LhkhPerson，LhkhPerson继承自NSObject，那如果根据上面的结论就是LhkhTeacher的元类的父类也是根元类，但是打印结果告诉我们，并非如此，子类的元类的父类是就是子类的父类的元类，为什么会这样呢？因为元类也是有一条继承链，LhkhTeacher元类---继承--->LhkhPerson元类---继承--->根元类NSObject。 到这相信大家就会出现一个疑问，类继承链会到达根类NSObject，元类的继承会到达根元类NSObject，那么根类NSObject和根元类NSObject继承自什么呢？

- 类和元类继承特殊情况

根据打印结果可以得到，根类的父类为null，即根类没有父类，而根元类的父类为根类。

- 类继承链总结

1. 子类---继承--->父类---继承--->根类--->nil
2. 子类元类---继承--->父类元类---继承--->根元类---继承--->根类--->nil 根据这个可以得出类的继承图

- Apple官方 isa和类的走向图

类的底层结构

探究类的底层结构前我们需要先了解一下内存偏移

内存偏移补充

探讨这个我们通过普通指针，对象指针，数组指针三个例子来看：

1. 普通指针

定义了两个局部变量a和b都等于10，通过打印可以看到它们的值都是10，而它们的地址是不同的，a的地址为0x7ffee9501c24，b的地址为0x7ffee9501c20

则得出

• 根据a和b为局部变量，和其地址0x7开头我们可以知道其存储在栈区域；
• 栈区域地址是由高指向低地址，而a和b相差4字节，因为a为int型，需要占用4字节，所以a到b的偏移量为4字节。

2.对象指针

定义了两个对象obj1和obj2，通过打印的地址我们分析一下：

• 可以看出obj1的地址为0x600002440100是通过alloc开辟出来的，而obj2的地址为0x600002440110也是通过alloc开辟出来的，通过0x6开头和他们是手动开辟的我们知道他们是存在堆区的；
• 再看两者的取地址，也就是指向obj1和obj2堆地址的地址，分别是0x7ffeec5bcc08和0x7ffeec5bcc00，可以看出是在栈区，且由于obj1位对象占用8字节，所以obj1到obj2的偏移量为8字节。

3.数组指针

定义一个数组指针c，和一个指针d，通过打印可以得到数组指针c的地址为0x7ffeebfa1c20，而c的第一个元素指针地址也为0x7ffeebfa1c20，后面的元素地址也是每隔4个字节（因为数组指针里面存的是int型数据，int型占4个字节）；而指针d初始赋值是c，所以打印d地址就是0x7ffeebfa1c20，而d偏移一个步长（这边的步长也是由c里面的元素类型决定，我们这边存的是int型，所以偏移4字节）；通过上面你的分析我们可以得到：

• 数组的首地址就是其第一个元素的地址，也就是内存地址的首地址就是第一个元素的地址；
• 数组里面的下一元素的地址可以通过首地址加上上一个元素偏移量（取决于数组里面存的元素类型）得到，也就是内存偏移可以根据首地址+ 偏移量方法获取相对应变量的地址。

类结构

在探索对象的本质的时候就已经发现了class的本质其实是一个 objc_Class *结构体指针，在objc源码中直接搜索objc_Class *可以得到； 那么objc_Class又是个什么呢？再次搜索一下objc_Class 挥发想能找到两个定义

这一个注意在objc2已经不使用了，所以直接看下面这个

可以发现objc_Class是继承自objc_object， 通过分析源码，可以发现除了一些方法，其内部有4个成员变量，ISA，superclass，cache，bits：

• ISA：这个是一个隐藏属性，是继承于objc_object里面的成员变量isa，是一个结构体指针，占用8个字节，主要是用于关联类的；
• superclass：也是一个Class类型，那么本质也就是结构体指针，也就是当前类的父类，也是占用8个字节；
• cache：是一个cache_t类型，本质是一个结构体，用于优化方法调用，这个后面章节会讲解；
• bits：是一个class_data_bits_t类型，本质也是一个结构体，主要用来存储类的属性，方法等数据的，这也是我们需要探讨的重点。

那我们想要探讨bits里面的内容，必须要获取到其内存地址，根据上面的内存偏移，想要得到bits的地址，还差一个cache的内存大小，由于cache_t是结构体所以其内存大小取决于内部变量，所以我们暂时不知道大小那我们先来看看cache_t其内部结构：

cache内存大小

通过源码中command左击cache_t进入到cache_t这个结构体中，有很多的方法和static修饰的变量，由于方法和全局变量都不是在计算结构体内存之中，无关重要，所以这边我们只需要看下面这两个变量：

• explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask：是一个泛型的结构体，真正的大小由uintptr_t（无符号长整型，占用8字节）决定，所以可以得到其占用8字节；
• 联合体union：里面只有一个变量一个结构体，
  • 这个结构体中有3个变量：可以得出结构体大小为8字节
    • _maybeMask：一个mask_t（uint32_t）型的结构体 占用4个字节
    • _flags: uint16_t类型 占用2字节
    • _occupied: uint16_t类型 占用2字节
  • _originalPreoptCache：是一个结构体指针类型，占用8字节 而联合体是里面是互斥的，那么可以得到联合体大小为8字节。

union {
    struct {
        explicit_atomic<mask_t>    _maybeMask; //4
#if __LP64__
            uint16_t               _flags; //2
#endif
            uint16_t               _occupied;//2
        };
    explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache;
    }

所以通过上面分析可以得到cache_t占用8+8，也就是16个字节，那么我们就可以计算得到bits的地址了，也就是首地址+32个字节的偏移量（8+8+16）。

bits探究

通过查找发现

class_rw_t *data() const {
  return bits.data();
}

这个方法里面返回bits.data()也就是我们bits里面的数据,那我们需要查看bits里面的内容，就先来看看class_rw_t。

- class_rw_t探究

通过源码，我们进入到class_rw_t里面，里面有很多的方法，我们发现几个我们熟悉的：

这里面存储这我们的方法，属性，协议等数据，那我们通过lldb来探索一下：

1. 我们通过x/4gx p.class 获取到类的首地址为0x100008b20；
2. 然后通过上面探究出来的要想获取到bits的地址需要偏移32个字节，也就是0x20，并强转成class_data_bits_t*，得到地址为$2 = 0x0000000100008b40；
3. 通过 return bits.data(),我们也通过p $2->data()得到(class_rw_t *) $3 = 0x000000010126f810，到此我们已经得到了class_rw_t的指针地址；
4. 通过指针地址取值*$3最终得到class_rw_t里面的数据。

那既然得到了class_rw_t数据结构了，我们又知道他内部存储了方法，属性，协议等，我们就来看看： 这个是LhkhPerson里面的一些属性和方法

• 属性

1. 通过上面得到的class_rw_t的地址我们取出值，然后获取其属性列表p $4.properties()；
2. 然后就一层一层往里面取p $5.list，p $6.ptr，然后再通过地址取值p *$7这时候就真正得到了我们属性的列表；
3. 通过p $8.get(0)获取第一个属性，得到我们的name，和我们定义的是一样的。

• 成员变量补充 我们上面探究属性的时候没有添加成员变量，那么会不会成员变量也会存在属性表中呢？

我们这边发现只能打印出我们的name属性，再取的时候就会越界错误，所以成员变量nickName没有存在属性表中，那么存在哪呢？

我们通过查找class_rw_t的方法实现时发现里面还存在一个方法class_ro_t，我们顺着进去查看实现，

通过查看class_ro_t方法实现我们发现其存在一个ivar_list_t *型变量ivars，这个词我们应该很熟悉啊，这不就是实例变量表吗，那我们大概知道了实例变量应该就存在这个表里面了，我们来验证一下看看

1. 我们通过之前的步骤获取到class_rw_t的地址并取值，然后通过p $4.ro()获取到class_ro_t地址；
2. 我们通过class_ro_t地址取到值，然后通过p $6.ivars获取到实例变量列表的地址，并通过p *$7取值；
3. 通过p $8.get(0)取到里面的实例变量，成功打印了我们的nickName成员变量；
4. 我们继续取值发现里面还存了_name,而我们知道这个name是我们定义的属性，所以我们还可以得到，系统给属性生成的_属性名的成员变量并存在了class_ro_t的ivar_t中。

总结

在class_rw_t方法中会调用class_ro_t这个方法，并通过里面的ivars（ivars是ivar_list_t这个类型，这是一个泛型，实质是ivar_t）实例变量表ivar_t存储成员变量和系统生成的属性的_属性名的变量。

• 方法 我们使用同样方式探索一下方法列表：

我们这边获取到方法名的时候有个注意点，由于method_t系统做了处理，是一个结构体，而他把方法名等数据放到了他里面的一个结构体变量big下，所以这边我们取到方法名时后面需要带上一个.big().

• 类方法补充

我们继续获取方法，发现属性的getter和setter方法过后，在获取就报错越界了，但是并没有获取到我们声明的+(void)sayHello类方法，那我们声明的那个类方法呢？

其实通过上面的对象方法探究我们知道对象方法存在类当中，那么我们知道OC中万物皆对象，那我们猜想类方法会不会就存在元类当中呢？

我们通过p/x object_getClass(LhkhPerson.class)获取到LhkhPerson的元类，然后按照上面探讨对象的方法一样会中获取到类方法+(void)sayHello，所以我们可以得到：

对象方法存在类结构的bits里面，而类方法存在元类结构的bits里面。

总结

通过上面的探究我们可以知道类的底层结构主要是四个变量ISA，superClass，cache,bits,而我们的bits里面存储了属性，对象方法，协议等数据。