Runtime 一：類與對(duì)象基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

Demo: https://github.com/iOSlixiang/RuntimeTest.git
objc4-818.2 源碼: https://github.com/iOSlixiang/objc4-818.2.git

Class

Objective-C類是由Class類型來表示的，它實(shí)際上只是objc_class的結(jié)構(gòu)體指針。

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

@interface Object { 
    Class isa; 
}

@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

在2006年蘋果發(fā)布Objc 2.0，objc_class定義沒有發(fā)生變化，但是結(jié)構(gòu)體發(fā)生了變化。
在Objc2.0之前，objc_class源碼

// 一個(gè)類的實(shí)例的結(jié)構(gòu)體
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
// 類結(jié)構(gòu)體
struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
    Class super_class                       OBJC2_UNAVAILABLE;  // 父類
    const char *name                        OBJC2_UNAVAILABLE;  // 類名
    long version                            OBJC2_UNAVAILABLE;  // 類的版本信息，默認(rèn)為0
    long info                               OBJC2_UNAVAILABLE;  // 類信息，供運(yùn)行期使用的一些位標(biāo)識(shí)
    long instance_size                      OBJC2_UNAVAILABLE;  // 該類的實(shí)例變量大小
    struct objc_ivar_list *ivars            OBJC2_UNAVAILABLE;  // 該類的成員變量鏈表
    struct objc_method_list **methodLists   OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法定義的鏈表
    struct objc_cache *cache                OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法緩存
    struct objc_protocol_list *protocols    OBJC2_UNAVAILABLE;  // 協(xié)議鏈表
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;

在Objc2.0，objc_class繼承于objc_object。在objc_class中也會(huì)包含isa_t類型的結(jié)構(gòu)體isa。 Objective-C 中類也是一個(gè)對(duì)象。

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
}
//繼承
struct objc_class : objc_object  
// Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
}
// isa是一個(gè)聯(lián)合體
union isa_t 
{
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    Class cls;
    uintptr_t bits;
}

把源碼的定義轉(zhuǎn)化成類圖，就是上圖的樣子。

從上述源碼中，我們可以看到，Objective-C 對(duì)象都是 C 語言結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)的，在objc2.0中，所有的對(duì)象都會(huì)包含一個(gè)isa_t類型的結(jié)構(gòu)體。

objc_object被源碼typedef成了id類型，這也就是我們平時(shí)遇到的id類型。這個(gè)結(jié)構(gòu)體中就只包含了一個(gè)isa_t類型的結(jié)構(gòu)體。

bjc_class繼承于objc_object。所以在objc_class中也會(huì)包含isa_t類型的結(jié)構(gòu)體isa。至此，可以得出結(jié)論：Objective-C 中類也是一個(gè)對(duì)象。在objc_class中，除了isa之外，還有3個(gè)成員變量，一個(gè)是父類的指針，一個(gè)是方法緩存，最后一個(gè)這個(gè)類的實(shí)例方法鏈表。

object類和NSObject類里面分別都包含一個(gè)objc_class類型的isa。

上圖的左半邊類的關(guān)系，右邊是isa的結(jié)構(gòu)體

isa指針

  1. 聯(lián)合體：一種特殊的數(shù)據(jù)類型，其目的是節(jié)省內(nèi)存。聯(lián)合體內(nèi)部可以定義多種數(shù)據(jù)類型，但是同一時(shí)間只能表示某一種數(shù)據(jù)類型，且所有的數(shù)據(jù)類型共享同一段內(nèi)存。聯(lián)合體的內(nèi)存大小等于所定義的數(shù)據(jù)類型中占用內(nèi)存的最大者。
  2. 互斥賦值/共用內(nèi)存：允許裝入該“聯(lián)合”所定義的任何一種數(shù)據(jù)成員，但同一時(shí)間只能表示一種數(shù)據(jù)成員，采用了覆蓋的技術(shù)；
  3. union所占內(nèi)存長度：union 變量所占用的內(nèi)存長度等于最長的成員的內(nèi)存長度；
union isa_t { //聯(lián)合體
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    //提供了cls 和 bits ，兩者是互斥關(guān)系
    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

isa_t類型使用聯(lián)合體的原因也是基于內(nèi)存優(yōu)化的考慮，這里的內(nèi)存優(yōu)化是指在isa指針中通過char + 位域（即二進(jìn)制中每一位均可表示不同的信息）的原理實(shí)現(xiàn)。通常來說，isa指針占用的內(nèi)存大小是8字節(jié)，即64位，已經(jīng)足夠存儲(chǔ)很多的信息了，這樣可以極大的節(jié)省內(nèi)存，以提高性能

從isa_t的定義中可以看出：

  • 提供了兩個(gè)成員，cls 和 bits，由聯(lián)合體的定義所知，這兩個(gè)成員是互斥的，也就意味著，當(dāng)初始化isa指針時(shí)，有兩種初始化方式

    • 通過cls初始化，bits無默認(rèn)值

    • 通過bits初始化，cls無默認(rèn)值

  • 還提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)體定義的·位域·，用于存儲(chǔ)類信息及其他信息，結(jié)構(gòu)體的成員·ISA_BITFIELD·，這是一個(gè)宏定義，有兩個(gè)版本 __arm64__（對(duì)應(yīng)ios 移動(dòng)端） 和 __x86_64__（對(duì)應(yīng)macOS）

位域的宏定義

元類(Meta Class)

在上面我們提到，所有的類自身也是一個(gè)對(duì)象，我們可以向這個(gè)對(duì)象發(fā)送消息(即調(diào)用類方法)。如：

NSArray *array = [NSArray array];

這個(gè)例子中，+array消息發(fā)送給了NSArray類，而這個(gè)NSArray也是一個(gè)對(duì)象。既然是對(duì)象，那么它也是一個(gè)objc_object指針，它包含一個(gè)指向其類的一個(gè)isa指針。那么這些就有一個(gè)問題了，這個(gè)isa指針指向什么呢？為了調(diào)用+array方法，這個(gè)類的isa指針必須指向一個(gè)包含這些類方法的一個(gè)objc_class結(jié)構(gòu)體。這就引出了meta-class的概念

meta-class是一個(gè)類對(duì)象的類。

當(dāng)我們向一個(gè)對(duì)象發(fā)送消息時(shí)，runtime會(huì)在這個(gè)對(duì)象所屬的這個(gè)類的方法列表中查找方法；而向一個(gè)類發(fā)送消息時(shí)，會(huì)在這個(gè)類的meta-class的方法列表中查找。

meta-class之所以重要，是因?yàn)樗?code>儲(chǔ)著一個(gè)類的所有類方法。每個(gè)類都會(huì)有一個(gè)單獨(dú)的meta-class，因?yàn)槊總€(gè)類的類方法基本不可能完全相同。

再深入一下，meta-class也是一個(gè)類，也可以向它發(fā)送一個(gè)消息，那么它的isa又是指向什么呢？為了不讓這種結(jié)構(gòu)無限延伸下去，Objective-C的設(shè)計(jì)者讓所有的meta-class的isa指向基類的meta-class，以此作為它們的所屬類。即，任何NSObject繼承體系下的meta-class都使用NSObject的meta-class作為自己的所屬類，而基類的meta-class的isa指針是指向它自己。這樣就形成了一個(gè)完美的閉環(huán)。

通過上面的描述，再加上對(duì)objc_class結(jié)構(gòu)體中super_class指針的分析，我們就可以描繪出類及相應(yīng)meta-class類的一個(gè)繼承體系了，如下圖所示：


圖中實(shí)線是 super_class指針，虛線是isa指針。

  • Root class (class)其實(shí)就是NSObject，NSObject是沒有超類的，所以Root class(class)的superclass指向nil。
  • 每個(gè)Class都有一個(gè)isa指針指向唯一的Meta class
  • Root class(meta)的superclass指向Root class(class)，也就是NSObject，形成一個(gè)回路。
  • 每個(gè)Meta class的isa指針都指向Root class (meta)。

對(duì)于NSObject繼承體系來說，其實(shí)例方法對(duì)體系中的所有實(shí)例、類和meta-class都是有效的；而類方法對(duì)于體系內(nèi)的所有類和meta-class都是有效的。

cache_t

struct cache_t {
    struct bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;
}

typedef unsigned int uint32_t;
typedef uint32_t mask_t;  // x86_64 & arm64 asm are less efficient with 16-bits

typedef unsigned long  uintptr_t;
typedef uintptr_t cache_key_t;

struct bucket_t {
private:
    cache_key_t _key;
    IMP _imp;
}

根據(jù)源碼，我們可以知道cache_t中存儲(chǔ)了一個(gè)bucket_t的結(jié)構(gòu)體，和兩個(gè)unsigned int的變量。

mask：分配用來緩存bucket的總數(shù)。
occupied：表明目前實(shí)際占用的緩存bucket的個(gè)數(shù)。

bucket_t的結(jié)構(gòu)體中存儲(chǔ)了一個(gè)unsigned long和一個(gè)IMP。IMP是一個(gè)函數(shù)指針，指向了一個(gè)方法的具體實(shí)現(xiàn)。

cache_t中的bucket_t *_buckets其實(shí)就是一個(gè)散列表，用來存儲(chǔ)Method的鏈表。

Cache的作用主要是為了優(yōu)化方法調(diào)用的性能。當(dāng)對(duì)象receiver調(diào)用方法message時(shí)，首先根據(jù)對(duì)象receiver的isa指針查找到它對(duì)應(yīng)的類，然后在類的methodLists中搜索方法，如果沒有找到，就使用super_class指針到父類中的methodLists查找，一旦找到就調(diào)用方法。如果沒有找到，有可能消息轉(zhuǎn)發(fā)，也可能忽略它。但這樣查找方式效率太低，因?yàn)橥粋€(gè)類大概只有20%的方法經(jīng)常被調(diào)用，占總調(diào)用次數(shù)的80%。所以使用Cache來緩存經(jīng)常調(diào)用的方法，當(dāng)調(diào)用方法時(shí)，優(yōu)先在Cache查找，如果沒有找到，再到methodLists查找。

class_data_bits_t

// class_data_bits_t相當(dāng)于 class_rw_t指針加上 rr/alloc 的標(biāo)志。
struct class_data_bits_t {
    // Values are the FAST_ flags above.
    uintptr_t bits;
}
// 返回 class_rw_t *指針的快捷方法
class_rw_t *data() {
    return bits.data();
}


// class_ro_t 在編譯期產(chǎn)生，它是類中的可讀信息。
// class_rw_t 在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生，它是類中的可讀寫信息。
struct class_rw_t {
    uint32_t flags;    // 標(biāo)記
    uint32_t version;  // 版本

    // 類中的只讀信息
    const class_ro_t *ro;

    /*
     這三個(gè)都是二位數(shù)組，是可讀可寫的，包含了類的初始內(nèi)容、分類的內(nèi)容。
     methods中，存儲(chǔ) method_list_t ----> method_t
     二維數(shù)組，method_list_t --> method_t
     這三個(gè)二位數(shù)組中的數(shù)據(jù)有一部分是從class_ro_t中合并過來的。
     */
    method_array_t methods;      // 方法數(shù)組
    property_array_t properties; // 屬性數(shù)組
    protocol_array_t protocols;  // 協(xié)議數(shù)組

    Class firstSubclass; //為某個(gè)類第一次創(chuàng)建的時(shí)候去尋找父類的時(shí)候綁定給父類的。
    Class nextSiblingClass; // 下一個(gè)相同父類的類

    char *demangledName;
}

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart; // 開始位置
    uint32_t instanceSize; // 所占空間大小
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif

     /* ivar 布局， 在編譯期這里就固定了，
     它標(biāo)示ivars的內(nèi)存布局，在運(yùn)行時(shí)不能改變，
     這也是為什么我們在運(yùn)行時(shí)不能動(dòng)態(tài)給類添加成員變量的原因*/
    const uint8_t * ivarLayout;
    
    const char * name;  //名字
    method_list_t * baseMethodList;  //方法鏈表
    protocol_list_t * baseProtocols; //協(xié)議鏈表
    const ivar_list_t * ivars;       //成員變量鏈表

    const uint8_t * weakIvarLayout; // weak 成員變量的內(nèi)存布局
    property_list_t *baseProperties;  //屬性鏈表

    method_list_t *baseMethods() const {
        return baseMethodList;
    }
};

Objc的類的屬性、方法、以及遵循的協(xié)議在obj 2.0的版本之后都放在class_rw_t中。class_ro_t是一個(gè)指向常量的指針，存儲(chǔ)來編譯器決定了的屬性、方法和遵守協(xié)議。rw-readwrite，ro-readonly
在編譯期類的結(jié)構(gòu)中的 class_data_bits_t *data指向的是一個(gè) class_ro_t *指針。
在運(yùn)行時(shí)調(diào)用 realizeClass方法，會(huì)做以下3件事情：

  1. 從 class_data_bits_t調(diào)用 data方法，將結(jié)果從 class_rw_t強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為 class_ro_t指針
  2. 初始化一個(gè) class_rw_t結(jié)構(gòu)體
  3. 設(shè)置結(jié)構(gòu)體 ro的值以及 flag

最后調(diào)用methodizeClass方法，把類里面的屬性，協(xié)議，方法都加載進(jìn)來。

整個(gè)流程 objc_readClassPair --> readClass --> realizeClass --> methodizeClass

總結(jié)一下objc_class 1.0和2.0的差別。
最后編輯于 ：
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