OC底层学习-类的底层结构探究下篇

WeaponChen
330 阅读7分钟

前言

上一章类的底层结构探究上篇中我们知道了

  • isa的指向图，并且引入了元类，其中类的isa会指向元类；
  • 并且还知道了类的继承链；
  • 继而我们还探究了类的底层结构，并且针对与类里面的bits变量做了主要探究（这边大家在探究的时候注意一下要在objc源码中探究），知道了bits里面存储了属性，方法，协议等；
  • 进一步还得到成员变量没有存在class_rw_t的propertys中，而是在class_ro_t的ivar_t中；
  • 对象方法存在类class_rw_t的methods中，类方法存在元类class_rw_t的methods中.

看类的底层结构我们会经常性的看到class_rw_t和class_ro_t，那这两兄弟是什么呢？我们知道系统也会为属性生成_属性名的成员变量存在class_ro_t的ivar_t中，那属性，成员变量，实例变量之间又有个什么关系呢？那我们就一起来看看类的底层结构下篇。

Class in Memory

在探究之前我们先来看看Apple在WWDC 2020讲解runtime时内存优化的视频片段；

通过视频我们可以了解到本次主要是对内部数据结构做了优化，使得App运行更快，这其中就有两个概念Clean Memory 和 Dirty Memory，那这两者究竟是什么呢？继续看视频可以得出：

Clean Memory

  • 加载后不会发生更改的内存；
  • class_ro_t 就是属于 Clean Memory，因为class_ro_t是只读的；
  • Clean Memory可以进行移除从而达到节省更多的内存空间，因为如果你需要Clean Memory，系统可以从磁盘中重新加载

Dirty Memory

  • 在进程运行时会发生更改的内存；
  • 类结构一经使用就会变成Dirty Memory，因为运行时会向它写入新的数据；例如创建一个新的方法缓存并从类中指向它；
  • Dirty Memory要比Clean Memory昂贵的多，只要进程运行，它就必须一直存在。 在macOS中可以通过swap选择换出Dirty Memory，而在iOS中不使用swap，所以Dirty Memory在iOS中代价很大，所以Dirty Memory是这个类数据被分成两部分的原因，保持清洁的数据越多越好，通过分离那些永远不会更改的数据，所以可以把大部分类数据存储在Clean Memory中。

我们知道类在磁盘中

未命名文件(11).png

在运行时需要知道更多类的信息，所以当类第一次加载到内存中时,runtime会为它分配额外的存储容量，额外分配的存储容量是class_rw_t读取-编写数据的；在这个数据结构中我们会存储只有在运行时生成的新信息，例如所有类都会链接成一个树状结构，这就是通过First SubClass和Next Sibling Class指针实现的，这样就允许runtime遍历当前所有用到的类，使得方法缓存无效非常有用。

根据上面的图解，我们肯定会有疑问啊，既然为了节省内存空间而优化，那为什么方法，属性在class_ro_t中时，class_rw_t中也存在呢？视频中也给我讲解了：

  • 它们在runtime的时候可以被修改；
    • 当Category被加载时，它可以给类添加方法；
    • 通过runtime api动态添加属性和方法；
  • class_ro_t是只读的，需要在class_rw_t追踪这些数据。

我们知道项目中会有很多的类，那么这么做的话将会占用相当大的内存空间，那如何缩小这些结构呢？

class_rw_t优化

runtime可以动态添加属性和方法，但是Apple在实际监测中发现大约只有10%的类动态修改了，这其中的一个字段demangledName只有在swift中有需要访问其objective-c名称时才需要； 所以就可以拆分掉那些平时不用的部分：

未命名文件(12).png

这样的话，class_rw_t的大小减少了一半；对那些需要修改内存的，需要额外信息的类，我们可以分配这些扩展记录中的一个，并把它滑到类中供其使用：

未命名文件(13).png

class_rw_t的优化总结

class_rw_t的优化实质上就是将其内部不常用的数据拆分出来放在Class_rw_ext_t扩展中；如果需要使用这部分数据就从Class_rw_ext_t扩展中分配一个滑到类中供其使用。

类中的变量，属性，方法

我们知道一个类中一般都会有变量，属性和方法。下面就是我们声明的一个继承自NSObject的类LhkhPerson：

image.png

  • nickName和objc均为成员变量，但是我们这边需要注意一点，其实objc准确的讲我们应该叫它为实例变量（定义为除基础数据类型以外的成员变量，所以实例变量是一种特殊的成员变量），因为NSObject不是基础类型；总结来说就是基础数据类型的都是成员变量，除此之外就是实例变量；
  • name1，name2以及age就是属性；
  • saySomething为对象方法，sayHello为类方法

我们上一节补充中知道了成员变量存储在class_ro_t的ivar_t中，

image.png 我们发现它的成员变量显示有5个，但是我们只声明2个啊，还有3个是什么?

我们可以通过取ivars里面的数据可以得出

image.png 这三个与我们定义的属性有点像啊，怎么会有个‘_’呢？接下来我们通过clang编译成.cpp文件来看一下下层代码实现：

image.png

image.png

编译时系统将属性转换成为了_属性的成员变量和对应的getter和setter方法。

所以我们得出：

  • 属性 = _属性的成员变量 + getter方法 + setter方法

细心的我们肯定会发现同样都是NSString的name1和name2的setter方法是不一样的额

image.png 在上图中我们可以知道，name2是通过首地址加上偏移量赋值的，而name1是通过一个objc_setProperty方法，相同的类型为什么会出现不同的set方式呢？就是因为我们给的修饰词不同出现的吗？

objc_setProperty补充

我们需要先了解一下objc_setProperty这个是什么意思？

LLVM源码中的objc_setProperty

由于这是在编译时就出现了，那我们就得从LLVM下手了，使用vscode打开LLVM源码：

image.png

通过搜索objc_setProperty我们发现了这个方法，在运行时创建objc_setProperty方法，既然找到了创建这个方法，那么我们就逆着找呗，什么情况下才会调用getSetPropertyFn()这个方法呢，继续搜索：

image.png 在GetPropertySetFunction()方法中会调用，这个是一个中间方法，那继续找GetPropertySetFunction()调用：

image.png

我们发现这边是一个Switch，而会调用GetPropertySetFunction()是在Switch的PropertyImplStrategy策略下，而这个会对应两个GetSetProperty``和SetPropertyAndExpressionGet，那我们现在就只需要知道什么时候赋值这个策略不就ok了吗，继续找：

image.png 是否是copy修饰词；

image.png 还有retain（MRC模式下，现在基本都是在ARC模式下，所有retain基本就可以不需要理解），atomic等修饰词。

那我们来个实例验证一下：

image.png

image.png

总结

所以我们基本可以得到的是在copy修饰的情况下，不管是原子性还是非原子性，系统生成的setter方法都会重定向到objc_setProperty方法。

objc源码中的objc_setProperty

看到这个方法前面带着objc我们想着objc源码中有没有方法实现呢，经过搜索我们发现

image.png

image.png 从源码中我们发现有5个方法，我们同样发现atomic，copy，nonatomic；而且5个方法中都会调用reallySetProperty方法,而在这个方法中实质原理就是新值retain，旧值release。

编码

我们在生成的cpp文件中会看到

image.png 这个中"v16@0:8"、"@16@0:8"这些个编码是啥意思呢。。。请看官方编码解释：

官方编码

我们可以通过打开xcode--> command+shift+0--> 搜索ivar_getTypeEncoding--> 点击Type Encodings

传送门

CodeMeaning
cA char
iAn int
sA short
lA long``l is treated as a 32-bit quantity on 64-bit programs.
qA long long
CAn unsigned char
IAn unsigned int
SAn unsigned short
LAn unsigned long
QAn unsigned long long
fA float
dA double
BA C++ bool or a C99 _Bool
vA void
*A character string (char *)
@An object (whether statically typed or typed id)
#A class object (Class)
:A method selector (SEL)
[array type]An array
{name=type... }A structure
(name=type... )A union
bnumA bit field of num bits
^typeA pointer to type
?An unknown type (among other things, this code is used for function pointers)

也可以通过代码打印

image.png

Objective-C 不支持long double类型，@encode(long double)返回d，和double类型的编码值一样。

我们这边以name1a这个属性的编码为例 "@16@0:8"解释一下：

  • @: 对应id类型参数 self
  • 16:上面参数从16位置开始
  • @: 参数
  • 0:参数从0位置开始
  • ::SEL
  • 8:SEL从8位置开始
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