iOS底层学习-类的原理分析（上）

LuckyRui
440 阅读7分钟

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一、isa分析到元类

上一篇isa分析，我们分析出对象的isa & ISA_MASK得到LRPerson类，那类中是否有isa呢，类的isa又指向什么呢？ 接上篇对这个LRPerson类再x/4gx查看内存，并打印出类的isa & ISA_MASK，也得到了LRPerson类。也就是说0x0000000100008388 0x0000000100008360都指向LRPerson。

可以看出类也开辟了内存，存放isa和其他信息。那么我们不妨猜想一下：类和对象一样可以开辟内存，并且不止有一个类。下面尝试验证一下

查看下面这段代码打印： 可以看出类对象指向同一个内存地址0x100008388，那上面类的isa & ISA_MASK得到的0x0000000100008360是什么呢？

此时借助MachOView查看可执行文件 在符号表中可以看到有个METACLASS，这就是元类。元类是系统生成编译的。

到此可以分析出这个流程：对象isa -> 类isa -> 元类

二、isa走位图和继承链

1、isa走位

上面分析到元类，那么元类的isa以及后续流程呢？ 通过lldb一步步分析打印，观察出以下结论：

  • 对象isa -> 类
  • 类isa -> 元类
  • 元类isa -> 根元类
  • 根元类isa -> 根元类
  • 根类isa -> 根元类

通过代码验证下：

// NSObject实例对象
NSObject *object1 = [NSObject alloc];
// NSObject类
Class cass = object_getClass(object1);
// NSObject元类
Class metaClass = object_getClass(class);
// NSObject根元类
Class rootMetaClass = object_getClass(metaClass);
// NSObject根根元类
Class rootRootMetaClass = object_getClass(rootMetaClass);
NSLog(@"\n-%p 实例对象\n-%p 类\n-%p 元类\n-%p 根元类\n-%p 根根元类",object1,class,metaClass,rootMetaClass,rootRootMetaClass);

得到打印结果：

-0x10104e840 实例对象
-0x100357140 类
-0x1003570f0 元类
-0x1003570f0 根元类
-0x1003570f0 根根元类

结合分析得出isa走位图：

2、isa继承链

在OC中，类是有继承关系的，那么元类 根元类有继承关系吗？下面探索一下，先创建一个类LRTeacher继承于LRPerson，在观察下面代码打印

// LRPerson元类
Class pMetaClass = object_getClass(LRPerson.class);
Class psuperClass = class_getSuperclass(pMetaClass);
NSLog(@"LRPerson元类的父类：%@ - %p",psuperClass,psuperClass);

// LRTeacher -> LRPerson -> NSObject
// 元类也有一条继承链
Class tMetaClass = object_getClass(LRTeacher.class);
Class tsuperClass = class_getSuperclass(tMetaClass);
NSLog(@"LRTeacher元类的父类：%@ - %p",tsuperClass,tsuperClass);

// NSObject 根类特殊情况
Class nsuperClass = class_getSuperclass(NSObject.class);
NSLog(@"根类的父类：%@ - %p",nsuperClass,nsuperClass);

// 根元类 -> NSObject
Class rnsuperClass = class_getSuperclass(object_getClass(NSObject.class));
NSLog(@"根元类的父类：%@ - %p",rnsuperClass,rnsuperClass);

打印结果如下：

LRPerson元类的父类：NSObject - 0x1003570f0
LRTeacher元类的父类：LRPerson - 0x100008360
根类的父类：(null) - 0x0
根元类的父类：NSObject - 0x100357140

根据打印结果分析：

  • LRPerson元类继承于NSObject元类即根元类
  • LRTeacher元类继承于LRPerson元类
  • NSObject根类继承于nil
  • NSObject根元类继承于NSObject根类

通过上面分析的isa走位图和继承链，结合起来就是苹果官网上经典的一张图

三、源码分析类的结构

对象的内存中有isa有成员变量，那么类的内存中有什么呢？我们在源码中可以看到类的根本是objc_class，是一个结构体。 objc_class结构体中有这四个成员变量：隐藏成员变量ISA，继承于objc_object、superclass父类、cache、 bits。前两个我们已经比较熟悉了，那么cache和 bits是什么呢？

先看bits后边注释中提到了class_rw_t，进入class_rw_t可以看到包含方法 属性 协议等等

struct class_rw_t {
    ...
    const method_array_t methods() const {...}
    const property_array_t properties() const {...}
    const protocol_array_t protocols() const {...}
}

现在我们只走到objc_class，怎么从类中获取这些内存数据呢？

四、指针和内存平移

目前还不知道如何获取当前内存的结构，这里先看一下指针和内存平移。

// 普通指针
int a = 10;
int b = 10;
NSLog(@"%d -- %p",a,&a);
NSLog(@"%d -- %p",b,&b);

// 对象指针
LRPerson *p1 = [LRPerson alloc];
LRPerson *p2 = [LRPerson alloc];
NSLog(@"%@ -- %p",p1,&p1);
NSLog(@"%@ -- %p",p2,&p2);

观察以上代码，得到打印结果如下：

10 -- 0x7ffeefbff4cc
10 -- 0x7ffeefbff4c8
<LRPerson: 0x100714f90> -- 0x7ffeefbff4c0
<LRPerson: 0x10070e660> -- 0x7ffeefbff4b8

分析：普通指针2个地址不同，但指向的值是同一个，可以理解为指向同一个内存空间。这就是值copy。而两个对象指针的地址不同，指向的内存空间也不同。

再看下数组指针

// 数组指针
int c[4] = {1,2,3,4};
int *d   = c;
NSLog(@"%p - %p - %p",&c,&c[0],&c[1]);
NSLog(@"%p - %p - %p",d,d+1,d+2);

打印结果：

分析：&c和&c[0]地址相同，说明数组的首地址就是第一个元素的地址。内存地址是连续的并且相差4字节,代表当前元素类型为4字节。指针d+1代表平移一个步长（即当前元素类型的大小），这里表示平移4字节，如果数组中是指针或对象那么平移8字节。

根据分析结论，我们知道可以通过指针地址的平移来做取值操作，代码验证下 打印结果：

1
2
3
4

有了这个验证结果，那类是否也可通过内存平移的方式获取其中的数据呢？

五、类的结构内存计算

打印查看类的的内存情况 根据之前源码分析类的结构，可以得知首地址0x0000000100008360是isa，紧跟着应该是superclass（结构体指针占8字节），截图中已验证0x0000000100357140为NSObject。那下面是cache和bits吗？今天先来看bits，后续单独篇章探究cache。

从类的结构中得知isa和superclass都是Class类型即结构体指针占8字节， 想要通过内存平移到bits，首先要知道cache的大小。下面跟进cache_t源码： cache_t是结构体，结构体大小要看其内部成员变量的大小。我们发现cache_t结构体中有很多东西，其中方法在方法区、全局变量在全局区不占用结构体内存

struct cache_t {
private:
    explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask;// 8字节
    union {
        struct {
            explicit_atomic<mask_t>    _maybeMask;// 4字节
#if __LP64__
            uint16_t                   _flags;// 2字节
#endif
            uint16_t                   _occupied;// 2字节
        };
        explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache;// 8字节
    };
    ...
}

最终影响结构体大小的成员变量有两个：一个是_bucketsAndMaybeMask，类型是explicit_atomic<uintptr_t>，explicit_atomic结构体是一个泛型，其真实大小取决于uintptr_t即8字节；另一个是联合体，联合体内又包含一个结构体和_originalPreoptCache，由于联合体是互斥的，经分析联合体也是8字节。

所以cache_t大小为16字节。

到此获取bits需要从类的首地址偏移32字节即0x20（isa(8) + superclass (8) + cache (16)）。 首地址偏移0x20后强转为class_data_bits_t *类型就得到了bits的地址

六、lldb分析类的属性

上面已经获取到bits的地址，我们在objc_class结构体中看到下面这行代码 尝试一下获取bits.data()，由于是指针需要用->调用 我们发现$2->data()得到了class_rw_t *类型的变量。再查看$3的内容发现没有之前提到的方法 属性 协议等。这里需要通过$4.properties()获取，lldb分析流程如下：

七、lldb分析类的方法

上面分析了类的属性，修改下LRPerson，添加一些属性和方法

继续通过lldb分析类的方法 在分析方法时，还原method_list_t后，通过get(index)无法获取方法，这里和属性有所区别

struct property_t {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

struct method_t {
    ...
    struct big {
        SEL name;
        const char *types;
        MethodListIMP imp;
    };
    ...
public:
    big &big() const {
        ASSERT(!isSmall());
        return *(struct big *)this;
    }
    ...
};

property_t结构体中有两个成员变量和打印信息相符，而method_t结构体中有个big结构体，尝试打印big结构体即得到我们想看到的信息。

还原method_list_t后可以看到count = 5，即有5个方法，打印出这5个方法： 我们发现分别是saySomething和hobby、name的get set方法，LRPerson的类方法say666却没有，因为类方法存储在元类中的方法列表里。

八、lldb分析类的协议

先写一个协议，LRPerson遵守这个协议并实现协议的方法

在class_rw_t结构体中有个protocols方法

lldb分析类的协议 当获取到protocol_list_t时，发现和属性property_list_t、方法method_list_t结构有所区别。查看protocol_list_t结构体 protocol_list_t结构体中list[0]为protocol_ref_t类型，获取到protocol_ref_t后直接强转为protocol_t，打印出详细信息就可以看到instanceMethods，instanceMethods即协议的方法列表，在这个方法列表中我们找到了先前写的协议的方法。

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