iOS底层原理04：类的原理之结构分析

见我如见山
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前言

通过前面学习得知，万物皆对象，类有isa指针，那么类的isa又指向哪里呢？

一、元类探索

案列分析如下

截屏2021-10-05 下午6.29.24.png

根据调试过程，为什么图中的po 0x0000000100008360 与 po 0x0000000100008338 中的类信息打印出来都指向LGPerson？
补充：x/4gx 看内存信息 p/x 看指针地址

猜想：类和对象，可以无限开辟，内存不止一个类？执行以下部分代码，继续分析 ^_^

Class class1 = [LGPerson class];
Class class2 = [LGPerson alloc].class;
Class class3 = object_getClass([LGPerson alloc]);
Class class4 = [LGPerson alloc].class;
NSLog(@"\n%p-\n%p-\n%p-\n%p",class1,class2,class3,class4);

打印结果如下：

0x100008360-
0x100008360-
0x100008360-
0x100008360

元类(METACLASS)诞生

结果可以看出0x0000000100008338不是类信息，那么它是什么呢？

  • 0x0000000100008360 是p对象的isa指针0x011d800100008365 & 0x00007ffffffffff8得到结果是创建p的类LGPerson
  • 0x0000000100008338 是 isa中获取的类信息所指的类的isa的指针地址，既LGPerson类的类的isa指针地址，简称为 元类(METACLASS)
  • 元类(METACLASS)，是系统编译器自动创建的
  • 执行流程：对象 -> isa -> 类、类的isa -> 元类

二、元类 & isa走位 分析

1. isa走位

对象、类、元类都有isa，具体isa走位流程是如何的呢？创建LGPerson对象结合lldb进行探索如下：

截屏2021-10-05 下午11.10.46.png

  • 结果分析

    • 对象的isa指向类
    • 类的isa指向元类
    • 元类的isa指向根元类(NSObject)
    • 根元类(NSObject)的isa指向它自己根元类(NSObject)

    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

    isa 探索元类的走位图

截屏2021-10-05 下午11.46.10.png

2. 类、元类 继承链 分析

引入以下代码分析 继承链关系，其中对象关系：LGTeacher <- LGPerson <- NSObject

#pragma mark **- NSObject 元类链**
void lgTestNSObject(void){

    // NSObject实例对象
    NSObject *object1 = [NSObject alloc];
    // NSObject类
    Class class = 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);

    // LGPerson元类
    Class pMetaClass = object_getClass(LGPerson.class);
    Class psuperClass = class_getSuperclass(pMetaClass);
    NSLog(@"%@ - %p",psuperClass,psuperClass);

    // LGTeacher -> LGPerson -> NSObject
    // 元类也有一条继承链
    Class tMetaClass = object_getClass(LGTeacher.class);
    Class tsuperClass = class_getSuperclass(tMetaClass);
    NSLog(@"%@ - %p",tsuperClass,tsuperClass);

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

    // 根元类 -> NSObject
    Class rnsuperClass = class_getSuperclass(metaClass);
    NSLog(@"%@ - %p",rnsuperClass,rnsuperClass);

}

运行结果

截屏2021-10-06 上午12.20.39.png

  • isa走位分析

    • LGPerson元类的走位链：person(对象) ——> LGPerson(类) ——> LGPerson(元类) ——> NSObject(根元类) ——> NSObject(自己类)

  • superclass走位链分析

    • LGPerson类的继承关系链：LGPerson(子类) --> NSObject(根类) --> null
    • LGTeacher类的继承关系链：LGTeacher(子类) --> LGPerson(父类) --> NSObject(根类) --> null

superclass走位图分析：

截屏2021-10-06 上午12.52.09.png

根据以上各种验证分析，对象、类、元类、根元类的关系图如下：

isa流程图.png

总结

isa走位说明
  • 实例对象(Instance of Subclass)的isa指向类(Class)
  • 类(Class) 的isa指向元类(Meta Class)
  • 元类(Meta Class)的isa指向根元类(Root Meta Class)
  • 根元类(Root Meta Class)的isa指向它自己
superclass 继承链说明

  • 类的继承关系

    • 类(Subclass)继承自父类(Superclass)
    • 父类(Superclass)继承自根类(Rootclass)
    • 根类(Rootclass)继承自nil。根类(NSObject)可以理解万物起源，无中生有

  • 元类的继承关系

    • 类的元类(Subclass meta)继承自父类的元类(Superclass meta)

    • 父类的元类(Superclass meta)继承自根类的元类(Root class meta)

    • 根类的元类(Root class meta)继承自根类(Root class)，既NSObject

三、补充知识 - 指针和内存平移

1. 普通指针

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

打印结果如下图

截屏2021-10-06 下午3.11.31.png

a、b都指向10，但是a、b的地址不一样 ,这是copy，也叫值拷贝
a、b的地址之间相差4个字节，取决于a、b的类型int

指针指向关系图如下：

截屏2021-10-06 下午3.27.16.png

2. 对象指针

// 对象 -
LGPerson *p1 = [LGPerson alloc];
LGPerson *p2 = [LGPerson alloc];
LGNSLog(@"%@ -- %p",p1,&p1);
LGNSLog(@"%@ -- %p",p2,&p2);

打印结果如下图：

截屏2021-10-06 下午3.39.18.png

当前的p1、p2地址不同，空间也不相同
p1是指向[LGPerson alloc]创建的空间地址(内存地址)，p2同理
&p1、&p2是指向p1、p2对象的指针地址，既二级指针

对象指针关系图

截屏2021-10-06 下午4.00.26.png

3. 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);

for (int i = 0; i<4; i++) {
    int value =  *(d+i);
    NSLog(@"%d",value);
}

打印结果

截屏2021-10-06 下午4.07.51.png

&c、&c[0]都是数组的首地址
&c[0]、&c[1]相差4字节，地址之间相差字节数根据当前的数据类型 int
首地址(&c) + 偏移量(1)可取出数组中其他元素，偏移量既数组的下标。首地址+偏移量获取元素的内存地址 = 偏移量 * 数据类型字节数 + 首地址

截屏2021-10-06 下午4.27.19.png

四、类结构分析

在上一篇文章iOS底层原理 03：OC对象初始化之本质与iSA中，使用clang编译过main.m文件，从中可以得出：

  • NSObject 同样指向 struct objc_object的结构体
  • isa的类型为Class，被定义为指向 objc_class的结构体指针

1. objc_class 分析

  • 在 objc源码中搜索objc_class定义，得到有两个地方的定义：

  • runtime.h 文件中，objc_class定义，由于执行流程是非__OBJC2__，已弃用。

截屏2021-10-06 下午2.24.18.png

  • objc_runtime-new.h，objc_class定义，现阶段阶段正在使用，如下图所示。

截屏2021-10-06 下午2.32.17.png

从源码的定义中可以看出，objc_class结构体类型是继承自objc_object的。

  • 属性分析：

    • isa：继承自objc_object的isa，所以objc_class也拥有了isa，(结构体指针) 8字节
    • superclass：Class 类型, Class由objc_object定义，8字节
    • cache：cache_t类型，而cache_t是结构体，并且结构体大小需要内部的属性来确定。
    • bits：class_data_bits_t类型，求解地址：首地址 + (isa + superclass cache)，首地址经过3个属性内存大小总和的平移。

2. 求解cache类型的内存大小

  • 进入cache_t的定义。排除其中的方法函数(方法不在结构体区域内存中)，得出以下几个属性

截屏2021-10-06 下午6.53.43.png

  • _bucketsAndMaybeMask: 看uintptr_t类型，而 uintptr_t是 unsigned long定义的，占 8 字节

  • union：联合体结构，其中有 2 个数据，根据联合体的情况，只去其一

    • struct：是结构体定义，根据图中所示，占 8 字节
    • _originalPreoptCache： 带 * 号类型，占 8 字节

  • 总结：cache的内存大小 = 8 + 8 = 16字节，原因：union 是互斥关系，只取一瓢。

3. 获取 bits 内容

截屏2021-10-06 下午7.15.30.png

  • 上一步已计算出cache的内存大小，想要获取bits内容，需要将首地址 平移32字节即可

以下是通过lldb命令调试获取bits的过程

获取首地址

(lldb) p/x LGPerson.class
(Class) $0 = 0x0000000100008370
(lldb) x/4gx LGPerson.class
0x100008370: 0x0000000100008398 0x0000000100372140
0x100008380: 0x000000010100bf90 0x0002802000000003

  • p/x LGPerson.class直接获取
  • x/4gx LGPerson.class 通过内存信息获取

截屏2021-10-06 下午7.40.49.png

4. 属性列表(properties)分析

根据上一步分析，获取数据内容已进入class_rw_t结构，分析当前class_rw_t结构，发现当前结构体中相应的方法获取 属性列表(properties)、方法列表(methods)

截屏2021-10-06 下午8.01.58.png

  • 准备工作，添加 LGPerson对象 如下：
@interface LGPerson : NSObject
{
    NSString *subject;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, copy) NSString *hobby;

#import "LGPerson.h"
@implementation LGPerson
- (instancetype)init{
    if (self = [super init]) {
        self.name = @"Cat";
    }
    return self;
}
@end

通过class_rw_t提供的方法，继续分析bits中的属性列表，以下是lldb分析流程

截屏2021-10-06 下午8.27.19.png

  • p $5.properties()中的properties方法是由class_rw_t提供的。
  • 通过 count = 2可知，当前属性列表含有2个字段。 p $9.get(0) 、p $9.get(1)分别获取到了 name、hobby字段。
  • 属性列表(properties)中无成员变量(subject)

5.方法列表(methods)分析

  • 准备工作，在上一步的LGPerson对象中添加2个方法(实例方法 & 类方法)
@interface LGPerson : NSObject
{
    NSString *subject;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, copy) NSString *hobby;
- (void)sayNB;
+ (void)say666;

#import "LGPerson.h"
@implementation LGPerson
- (instancetype)init{
    if (self = [super init]) {
        self.name = @"Cat";
    }
    return self;
}
- (void)sayNB{ 
}
+ (void)say666{
}
@end

通过class_rw_t方法，查找bits中的方法列表，lldb分析流程如下：

截屏2021-10-06 下午9.08.57.png

  • p $5.methods()获取方法列表的list结构，分析源码可知，methods方法是由class_rw_t提供的，const method_array_t methods() const

  • 通过lldb调试可知，count = 6，说明当前对象中含有 6 个方法，但是，输出第一个元素打印出来为空？？？

    • 进一步源码分析，通过method_array_t 方法层层推进，得出以下逻辑链：method_array_t -> method_list_t -> method_t，最终在 method_t 结构体中找到 big 结构体，

      截屏2021-10-06 下午9.22.06.png

  • p $p.get(0).big() 打印添加 big()方法继续打印，结果如下：

截屏2021-10-06 下午9.24.30.png

  • 可以看出，通过p $9.get(i).big() 内存偏移的方式，6个方法成功输出。

  • 方法类型如下：实例方法(sayNB)、name habby系统生成的get/set方法、init方法

  • 6 个方法中无 + (void)say666;，method_array_t中只有 实例方法，没有类方法，

6. 成员变量(ivars)分析

有上面的属性列表分析，得出propertys 中只有属性，没有成员变量， 那么成员变量存储在哪里呢？

分析 class_rw_t的定义发现，当前里面无存取成员变量的方法，但是在 ro() const方法中，进入ro()方法的 class_ro_t定义，在其中发现有一个 ivars属性，可猜测成员变量存在ivars属性中呢？

以下是从ro()方法中，通过lldb调试寻找突破口:

截屏2021-10-06 下午10.05.55.png

  • 通过lldb调试发现，获取 ivars属性，其中count = 3，除了包括成员变量，还有属性定义的成员变量也在ivars中。

  • 对象{ NSString *subject }定义的成员变量，会存储在bits属性中，查找流程: bits -> data() -> ro() -> ivars，

7. 类方法分析

方法列表(methods)只有实例方法，无类方法，那么类方法存储在哪里呢？

前文，提及了元类，类对象的isa指向元类。对象的方法存储在类的bits中，那么类的方法是否可能存储在元类的bits中呢？可通过lldb调试验证这个猜想，如下图所示：

截屏2021-10-06 下午10.41.26.png

通过图中元类方法列表的打印结果可知，上面的猜想验证通过。

总结：

  • 类的类方法存储在元类的bits属性中，
  • 获取类方法流程：类 --> 元类 --> 元类bits --> data() --> methods() --> list --> ptr --> get(i).big()
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