iOS底层原理——Objective-C的本质

开篇首先放一个面试题：

面试题：一个NSObject对象占用多少内存？

作为一个iOS开发人员来说，虽然iOS底层原理更多的是在面试中被问到，但是在实际工作中，iOS底层原理是必须要掌握的知识。 想要弄清楚iOS底层原理的本质，首先要清楚以下两点：

• OC对象在内存中是怎么布局的？
• OC对象中包含了哪些内容？

一、NSObject对象在内存中的布局

我们平时编写的Objective-C代码，OC代码的底层实现其实都是C/C++代码，编译器先把OC代码转换成C/C++代码，接着转成汇编语言，最后转成机器语言最终运行在手机上；所以OC代码的本质其实就是C/C++代码；

接下来通过创建OC项目，并将OC相应文件转化为C++文件来探寻OC对象的本质。

#import "ViewController.h"

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    NSObject *isa_obj= [[NSObject alloc] init];
}

@end

将OC的ViewController.m文件转化为C++文件，可以通过以下两种命令行来执行。

• 第一种方式是不指定架构来转化为C++

  clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

  其中cpp代表C++（c plus plus）

• 第二种方式是指定架构模式（现在iOS是arm64架构） 来转化为C++。

  xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc ViewController.m -o ViewController-arm64.cpp

在ViewController-arm64.cpp文件中全局搜索NSObjcet_IMPL，可以找到NSObject的实现代码。

    struct NSObject_IMPL {
         Class isa;
    };

    点击Class，我们发现，Class是一个指向结构体的指针，如下：
    typedef struct objc_class *Class;

从上面可以看出，NSObject对象的底层是基于C++的数据类型实现。这个数据类型是结构体类型。 我们打印下NSObject内存，来看下NSObject对象在内存中的占用大小

#import "ViewController.h"
#import <objc/runtime.h>
#import <malloc/malloc.h>

@interface ViewController ()

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    NSObject *isa_obj= [[NSObject alloc] init];
    //获得NSObject类的实例对象的成员变量所占用的大小
    NSLog(@"%zd",class_getInstanceSize([NSObject class]));
    //获得isa_objl指针所指向内存的大小
    NSLog(@"%zd",malloc_size((__bridge const void *)isa_obj));    
}

输出结果

2018-10-10 15:42:53.776715+0800 NSObject本质-01[5132:224858] 8
2018-10-10 15:42:53.776875+0800 NSObject本质-01[5132:224858] 16

根据打印结果，NSObject对象的指针占用了8个字节，但是NSObject对象确占用了16个字节。其实class_getInstanceSize返回的是成员变量的大小，上例中这个成员变量只是isa指针。malloc_size返回的才是NSObject对象的在内存中的大小。

回到开头的面试题

面试题：一个NSObject对象占用多少内存？NSObject的面向对象是以C/C++的数据类型实现的，这种数据类型是结构体。在NSObject头文件中，Class是一个指向结构体的指针。在64位环境下，指针占用8个字节。但实际上系统给NSObject对象分配了16个字节。但是NSObject对象内部占用了8个字节。

在NSObject的初始化中，系统为NSObject对象分配16个字节的内存空间，其中8个字节用来存放一个成员isa指针。那么isa指针这个变量的地址就是结构体的地址，也就是NSObjcet对象的地址。 假设isa的地址为0x100400110，那么系统分配存储空间给NSObject对象，然后将存储空间的地址赋值给objc指针。objc存储的就是isa的地址。objc指向内存中NSObject对象地址，即指向内存中的结构体，也就是isa的位置。

我们通过自定义的类来说明内部布局

#import <Foundation/Foundation.h>

@interface Student : NSObject
{
    @public
    int _no;
    int _age;
}
@end

@implementation Student


@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Student *student = [[Student alloc] init];
        student -> _no = 1;
        student -> _age = 18;
    }
    return 0;
}

按照以上c++生成步骤生成文件，并查找Student，C++文件中如下：

struct Student_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    int _no;
    int _age;
};

通过搜索NSObject_IMPL，我们查找到NSObject_IMPL实现方式

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

所以Student_IMPL的结构体就相当于

struct Student_IMPL {
    Class *isa;
    int _no;
    int _age;
};

因此，此结构体占用多少存储空间，Student对象就占用多少存储空间。结构体占用的存储空间为： isa指针（8个字节）+int _no（4个字节）+int _age（4个字节）= 16个字节

二、OC对象中包含的内容

OC对象，主要可以分为3种对象： 1.instance对象（实例对象） 2.class对象（类对象） 3.meta-class对象（元类对象）

1、instance（实例对象）

instance对象就是通过类alloc出来的对象，每次调用alloc都会产生新的instance对象； instance对象在内存中存储着信息包括：

• isa指针
• 其他成员变量的具体值

2、class（类对象）

使用class出来的对象（类对象） 每个类在内存中有且只有一个class对象

注意：class方法返回的一直是类对象，所以哪怕这样写还是会返回类对象

Class objectMetaClass2 = [[[NSObject class] class] class];

class对象在内存中存储的信息:

• isa指针
• superclass指针
• 类的属性信息（@property）、类的对象方法信息（instance method）
• 类的协议信息（protocol）、类的成员变量信息（ivar）
• ......

3、meta-class（元类对象）

objectMetaClass是NSObject的meta-class对象（元类对象），每个类在内存中有且只有一个meta-class对象

Class objectMetaClass = object_getClass(objectClass5);

meta-class对象和class对象的内存结构是一样的，但是用途不一样，在内存中存储的信息主要包括：

• isa指针
• superclass指针
• 类的类方法信息（class method）
• ......

isa指针的指向

• instance的isa指向class 当调用对象方法时，通过instance对象的isa指针找到class，最后找到对象方法的实现进行调用。
• class的isa指针指向meta-class 当调用类方法时，通过class的isa找到meta-class，最后找到类方法的实现进行调用。

class对象的superclass指针

• 当Student的instance对象要调用Person的对象方法时，会先通过isa找到Student的superclass，然后通过superclass找到Person的class，最后找到对象方法的实现进行调用 meta-class对象的superclass指针
• 当Student的class要调用Person的类方法时，会先通过isa找到Student的meta-class，然后通过superclass找到person的meta-class，最后找到类方法的实现进行调用。

isa、superclass的总结

• instance的isa指向class
• class的isa指向meta-class
• meta-class的isa指向基类的meta-class
• class的superclass指向父类的class；如果没有父类，superclass的指针为nil
• meta-class的superclass指向父类的meta-class；基类的meta-class的superclass指向基类的class
• instance调用对象方法的轨迹；isa找到class，方法不存在，就通过superclass找父类
• class调用类方法的轨迹；isa找meta-class，方法不存在，就通过superclass找父类

转载自 简书