类 & 类结构分析

Study_Min
252 阅读13分钟

iOS 底层原理 文章汇总 本文的主要目的是分析 类 & 类的结构，整篇都是围绕一个类展开的一些探索

类 的分析

类的分析 主要是分析 isa的走向 以及 继承关系

准备工作

定义两个类

  • 继承自NSObject的类LGPerson，

image.png

  • 继承自LGPerson的类LGTeacher

image.png

  • 在main中分别用两个定义两个对象：person & teacher

image.png

元类

首先，我们先通过一个案例的lldb调试先引入元类

  • 在main中LGTeacher部分加一个断点，运行程序
  • 开启lldb调试，调试的过程如下图所示

lldb调试过程

根据调试过程，我们产生了一个疑问：为什么图中的p/x 0x001d800100008365 & 0x00007ffffffffff8ULL 与 p/x 0x0000000100008338 & 0x00007ffffffffff8ULL 中的类信息打印出来都是LGPerson？

  • 0x001d800100008365 是person对象的isa指针地址，其&后得到的结果是 创建person的类LGPerson

  • 0x00000001000022b0是isa中获取的类信息所指的类的isa的指针地址，即 LGPerson类的类 的isa指针地址，在Apple中，我们简称LGPerson类的类为 元类

  • 所以，两个打印都是LGPerson的根本原因就是因为元类导致的

元类的说明

下面来解释什么是元类，主要有以下几点说明：

  • 我们都知道 对象的isa 是指向类，类的其实也是一个对象，可以称为类对象，其isa的位域指向苹果定义的元类
  • 元类是系统给的，其定义和创建都是由编译器完成，在这个过程中，类的归属来自于元类
  • 元类 是类对象 的类，每个类都有一个独一无二的元类用来存储 类方法的相关信息。
  • 元类本身是没有名称的，由于与类相关联，所以使用了同类名一样的名称

下面通过lldb命令来探索元类的走向，也就是isa的走位，如下图所示，可以得出一个关系链：对象 --> 类 --> 元类 --> NSobject, NSObject 指向自身

image.png

总结

从图中可以看出

  • 对象 的 isa 指向 类（也可称为类对象）
  • 类 的 isa 指向 元类
  • 元类 的 isa 指向 根元类，即NSObject
  • 根元类 的 isa 指向 它自己

NSObject到底有几个？

从图中可以看出，最后的根元类是NSObject，这个NSObject 与我们日开开发中所知道的NSObject是同一个吗？

有以下两种验证方式

  • 【方式一】lldb命令验证
  • 【方式二】代码验证

【方式一】lldb命令验证

我们也通过lldb调试，来验证这两个NSObject是否是同一个，如下图所示

image.png

从图中可以看出，最后NSObject类的元类 也是NSObject，与上面的LGPerson中的根元类（NSObject）的元类，是同一个，所以可以得出一个结论：内存中只存在存在一份根元类NSObject，根元类的元类是指向它自己

【方式二】代码验证

通过三种不同的方式获取类，看他们打印的地址是否相同

image.png

从结果中可以看出，打印的地址都是同一个，所以NSObject只有一份，即NSObject（根元类）在内存中永远只存在一份

[面试题]：类存在几份？

由于类的信息在内存中永远只存在一份，所以 类对象只有一份

著名的 isa走位 & 继承关系 图

根据上面的探索以及各种验证，对象、类、元类、根元类的关系如下图所示

2251862-48a5603729fdf0a9.png

isa走位

isa的走向有以下几点说明：

  • 实例对象（Instance of Subclass）的 isa 指向 类（class）
  • 类对象（class） isa 指向 元类（Meta class）
  • 元类（Meta class）的isa 指向 根元类（Root metal class）
  • 根元类（Root metal class） 的isa 指向它自己本身，形成闭环，这里的根元类就是NSObject

superclass走位

superclass（即继承关系）的走向也有以下几点说明：

  • 类 之间 的继承关系：

    • 类（subClass） 继承自 父类（superClass）
    • 父类（superClass） 继承自 根类（RootClass），此时的根类是指NSObject
    • 根类 继承自 nil，所以根类即NSObject可以理解为万物起源，即无中生有

  • 元类也存在继承，元类之间的继承关系如下：

    • 子类的元类（metal SubClass） 继承自 父类的元类（metal SuperClass）
    • 父类的元类（metal SuperClass） 继承自 根元类（Root metal Class
    • 根元类（Root metal Class） 继承于 根类（Root class），此时的根类是指NSObject

  • 【注意】实例对象之间没有继承关系，类之间有继承关系

举例说明

以前文提及的的LGTeacher及对象teacher 、LGPerson及对象person举例说明，如下图所示

2251862-9c4ff5faa937e5ef.png

  • isa 走位链（两条）

    • teacher的isa走位链：teacher(子类对象) --> LGTeacher （子类）--> LGTeacher（子元类） --> NSObject（根元类） --> NSObject（跟根元类，即自己）
    • person的isa走位图：person(父类对象) --> LGPerson （父类）--> LGPerson（父元类） --> NSObject（根元类） --> NSObject（跟根元类，即自己）

  • superclass走位链（两条）

    • 类的继承关系链：LGTeacher（子类） --> LGPerson(父类) --> NSObject（根类）--> nil
    • 元类的继承关系链：LGTeacher（子元类） --> LGPerson(父元类) --> NSObject（根元类）--> NSObject（根类）--> nil

objc_class & objc_object

isa走位我们理清楚了，又来了一个新的问题：为什么 对象 和 类都有isa属性呢？这里就不得不提到两个结构体类型：objc_class & objc_object

下面在这两个结构体的基础上，对上述问题进行探索。

在上一篇文章isa与类关联的原理中，使用clang编译过main.m文件，从编译后的c++文件中可以看到如下c++源码

NSObject的底层编译是NSObject_IMPL结构体，

  • 其中 Class是isa指针的类型，是由objc_class定义的类型，
  • 而objc_class是一个结构体。在iOS中，所有的Class都是以 objc_class 为模板创建的`
struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

typedef struct objc_class *Class;

在objc4源码中搜索objc_class的定义，源码中对其的定义有两个版本

  • 旧版 位于 runtime.h中，已经被废除

image.png

新版 位于objc-runtime-new.h,这个是objc4-818.2最新优化的，我们后面的类的结构分析也是基于新版来分析的。

image.png

  • 从新版的定义中，可以看到 objc_class 结构体类型是继承自 objc_object的，

  • 在objc4源码中搜索objc_object (或者 objc_object {,这个类型也有两个版本

  • 一个位于 objc.h，没有被废除，从编译的main.cpp中可以看到，使用的这个版本的objc_object

image.png

  • 位于 objc-privat.h

image.png

以下是编译后的main.cpp中的objc_object的定义

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa __attribute__((deprecated));
};

【问题】objc_class 与 objc_object 有什么关系？

通过上述的源码查找以及main.cpp中底层编译源码，有以下几点说明：

  • 结构体类型objc_class 继承自objc_object类型，其中objc_object也是一个结构体，且有一个isa属性，所以objc_class也拥有了isa属性

  • mian.cpp底层编译文件中，NSObject中的isa在底层是由Class 定义的，其中class的底层编码来自 objc_class类型，所以NSObject也拥有了isa属性

  • NSObject 是一个类，用它初始化一个实例对象objc，objc 满足 objc_object 的特性（即有isa属性），主要是因为isa 是由 NSObject 从objc_class继承过来的，而objc_class继承自objc_object，objc_object 有isa属性。所以对象都有一个 isa，isa表示指向，来自于当前的objc_object

  • objc_object（结构体） 是 当前的  根对象，所有的对象都有这样一个特性 objc_object，即拥有isa属性

【百度面试题】objc_object 与 对象的关系

  • 所有的对象 都是以 objc_object为模板继承过来的
  • 所有的对象 是 来自 NSObject（OC） ，但是真正到底层的 是一个objc_object（C/C++）的结构体类型

【总结】 objc_object 与 对象的关系 是 继承关系

总结

  • 所有的对象 + 类 + 元类 都有isa属性

  • 所有的对象都是由objc_object继承来的

  • 简单概括就是万物皆对象，万物皆来源于objc_object，有以下两点结论：

    • 所有以 objc_object为模板 创建的对象，都有isa属性
    • 所有以objc_class为模板，创建的类，都有isa属性

  • 在结构层面可以通俗的理解为上层OC 与 底层的对接：

    • 下层是通过 结构体 定义的 模板，例如objc_class、objc_object
    • 上层 是通过底层的模板创建的 一些类型，例如LGPerson

objc_class、objc_object、isa、object、NSObject等的整体的关系，如下图所示

2251862-7b4c0996f92eb166.png

类结构分析

主要是分析类信息中存储了哪些内容

补充知识-内存偏移

在分析类结构之前，需要先了解内存偏移，因为类信息中访问时，需要使用内存偏移

【普通指针】

image.png

  • a、b都指向10，但是a、b的地址不一样，这是一种拷贝，属于值拷贝，也称为深拷贝
  • a,b的地址之间相差 4 个字节，这取决于a、b的类型

其地址指向如图所示

未命名.png

【对象指针】

image.png

  • p1、p2 是指针，p1 是 指向 [LGPerson alloc]创建的空间地址，即内存地址，p2 同理
  • &p1、&p2是 指向 p1、p2对象指针的地址，这个指针 就是 二级指针

其指针的指向如下图所示

未命名.png

【数组指针】

其指针指向如下所示

未命名.png

探索类信息中都有哪些内容

探索类信息中有什么时，事先我们并不清楚类的结构是什么样的，但是我们可以通过类得到一个首地址，然后通过地址平移去获取里面所有的值

根据前文提及的objc_class 的定义如下，有以下几个属性

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA; //8字节
    Class superclass; //Class 类型 8字节
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
    
    //....方法部分省略，未贴出
}

  • isa属性：继承自objc_object的isa，占 8字节

  • superclass 属性：Class类型，Class是由objc_object定义的，是一个指针，占8字节

  • cache属性：简单从类型class_data_bits_t目前无法得知，而class_data_bits_t是一个结构体类型，结构体的内存大小需要根据内部的属性来确定，而结构体指针才是8字节

  • bits属性：只有首地址经过上面3个属性的内存大小总和的平移，才能获取到bits

计算 cache 类的内存大小

进入cache类cache_t的定义（只贴出了结构体中非static修饰的属性，主要是因为static类型的属性 不存在结构体的内存中），有如下几个属性

image.png

  • 计算前两个属性的内存大小，有以下两种情况，最后的内存大小总和都是12字节

    • 【情况一】if流程

      • buckets 类型是struct bucket_t *，是结构体指针类型，占8字节
      • mask 是mask_t 类型，而 mask_t 是 unsigned int 的别名，占4字节

    • 【情况二】elseif流程

      • _maskAndBuckets 是uintptr_t类型，它是一个指针，占8字节
      • _mask_unused 是mask_t 类型，而 mask_t 是 uint32_t 类型定义的别名，占4字节

  • _flags 是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节

  • _occupied 是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节

总结：所以最后计算出cache类的内存大小 = 12 + 2 + 2 = 16字节

获取bits

所以有上述计算可知，想要获取bits的中的内容，只需通过类的首地址平移32字节即可

以下是通过lldb命令调试的过程

获取bits的lldb调试流程

  • 获取类的首地址有两种方式

    • 通过p/x CJLPerson.class直接获取首地址
    • 通过x/4gx CJLPerson.class，打印内存信息获取

image.png

  • 其中的data()获取数据，是由objc_class提供的方法

image.png

  • 从$2指针的打印结果中可以看出bits中存储的信息，其类型是class_rw_t，也是一个结构体类型。但我们还是没有看到属性列表、方法列表等，需要继续往下探索

探索 属性列表，即 property_list

通过查看class_rw_t定义的源码发现，结构体中有提供相应的方法去获取 属性列表、方法列表等，如下所示

image.png

在获取bits并打印bits信息的基础上，通过class_rw_t提供的方法，继续探索 bits中的属性列表，以下是lldb 探索的过程图示

image.png

  • p $8.properties()命令中的propertoes方法是由class_rw_t提供的,方法中返回的实际类型为property_array_t

  • 由于list的类型是property_list_t，是一个指针，所以通过 p *$10获取内存中的信息，同时也证明bits中存储了 property_list，即属性列表

  • p $11.get(2)，想要获取LGPerson中的成员变量``bobby， 发现会报错，提示数组越界了，说明 property_list 中只有属性name、age

【问题】探索成员变量的存储

由此可得出property_list 中只有属性，没有成员变量，属性与成员变量的区别就是有没有set、get方法，如果有，则是属性，如果没有，则是成员变量。

那么问题来了，成员变量存储在哪里？为什么会有这种情况？请移至文末的分析与探索

探索 方法列表，即methods_list

准备工作：在前文提及的LGPerson中增加两个方法（实例方法 & 类方法）

通过lldb调试来获取方法列表，步骤如图所示

image.png

  • 通过 p $4.methods() 获得具体的方法列表的list结构，其中methods也是class_rw_t提供的方法

  • 通过打印的count = 5可知，存储了5个方法,可以通过p $7.get(i)内存偏移的方式获取单个方法,i 的范围是0-4

  • 如果在打印 p $7.get(5)，获取第五个方法，也会报错，提示数组越界

新问题的探索

【问题】探索成员变量的存储

由上面的属性列表分析可得出property_list 中只有属性，没有成员变量，那么问题来了，成员变量存储在哪里？为什么会有这种情况？

通过查看objc_class中bits属性中存储数据的类class_rw_t的定义发现，除了methods、properties、protocols方法，还有一个ro方法，其返回类型是class_ro_t，通过查看其定义，发现其中有一个ivars属性，我们可以做如下猜测：是否成员变量就存储在这个ivar_list_t类型的ivars属性中呢？

下面是lldb的调试过程

成员变量存储探索的调试

  • class_ro_t结构体中的属性如下所示，想要获取ivars，需要ro的首地址平移48字节

image.png

通过图中可以看出，获取的ivars属性，其中的count 为2，通过打印发现 成员列表中除了有age，还有name，所以可以得出以下一些结论：

  • 通过{}定义的成员变量，会存储在类的bits属性中，通过bits --> data() -->ro() --> ivars获取成员变量列表，除了包括成员变量，还包括属性定义的成员变量

  • 通过@property定义的属性，也会存储在bits属性中，通过bits --> data() --> properties() --> list获取属性列表，其中只包含属性

【问题】探索类方法的存储

由此可得出methods list 中只有 实例方法，没有类方法，那么问题来了，类方法存储在哪里？为什么会有这种情况？下面我们来仔细分析下

在文章前半部分，我们曾提及了元类，类对象的isa指向就是元类，元类是用来存储类的相关信息的，所以我们猜测：是否类方法存储在元类的bits中呢？可以通过lldb命令来验证我们的猜测。下图是lldb命令的调试流程

类方法存储的探索流程

通过图中元类方法列表的打印结果，我们可以知道，我们的猜测是正确的，所以可以得出以下结论：

  • 类的实例方法存储在类的bits属性中，通过bits --> methods() --> list获取实例方法列表，例如LGPerson类的实例方法sayHello 就存储在 LGPerson类的bits属性中，类中的方法列表除了包括实例方法，还包括属性的set方法 和 get方法
  • 类的类方法存储在元类的bits属性中，通过元类bits --> methods() --> list获取类方法列表，例如LGPerson中的类方法sayBye 就存储在LGPerson类的元类（名称也是LGPerson）的bits属性中
avatar
文章
阅读
粉丝