iOS底層原理07：類 & 類結(jié)構(gòu)分析

本文的主要目的是分析 類 & 類的結(jié)構(gòu)，整篇都是圍繞一個(gè)類展開的一些探索

類的分析

類的分析主要是分析 isa的走向 以及 繼承關(guān)系
準(zhǔn)備工作
定義兩個(gè)類

  • 繼承自NSObject的類HTPerson 
@interface HTPerson : NSObject
{
    NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end

@implementation HTPerson
- (void)sayHello
{}
+ (void)sayBye
{}
@end
  • 繼承自HTPerson的類HTTeacher 
@interface HTTeacher : HTPerson
@end

@implementation HTTeacher
@end
  • 在main中分別用兩個(gè)定義兩個(gè)對(duì)象：person & teacher 
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        HTPerson *person = [[HTPerson alloc] init];
        HTTeacher *teacher = [[HTTeacher alloc] init];
        NSLog(@"person:%@======teacher:%@", person, teacher);
    }
    return 0;
}

元類

首先，我們先通過一個(gè)案例的lldb調(diào)試先引入元類

  • 在main中HTTeacher部分加一個(gè)斷點(diǎn)，運(yùn)行程序
  • 開啟lldb調(diào)試，調(diào)試的過程如下圖所示
image

image

根據(jù)調(diào)試過程，我們產(chǎn)生了一個(gè)疑問：為什么圖中的p/x 0x011d80010000828d & 0x00007ffffffffff8ULL 與 p/x 0x0000000100008260 & 0x00007ffffffffff8ULL 中的類信息打印出來都是HTPerson？

  • 0x011d80010000828d 是person對(duì)象的isa指針地址，其&后得到的結(jié)果是 創(chuàng)建person的類HTPerson
  • 0x0000000100008260是isa中獲取的類信息所指的類的isa的指針地址，即 HTPerson類的類 的isa指針地址，在Apple中，我們簡(jiǎn)稱HTPerson類的類為 元類
  • 所以，兩個(gè)打印都是HTPerson的根本原因就是因?yàn)?code>元類導(dǎo)致的

元類的說明

下面來解釋什么是元類，主要有以下幾點(diǎn)說明：

  • 我們都知道 對(duì)象的isa 是指向類，類其實(shí)也是一個(gè)對(duì)象，可以稱為類對(duì)象，其isa的位域指向蘋果定義的元類
  • 元類是系統(tǒng)給的，其定義和創(chuàng)建都是由編譯器完成，在這個(gè)過程中，類的歸屬來自于元類
  • 元類 是類對(duì)象 的類，每個(gè)類都有一個(gè)獨(dú)一無二的元類用來存儲(chǔ) 類方法的相關(guān)信息。
  • 元類本身是沒有名稱的，由于與類相關(guān)聯(lián)，所以使用了同類名一樣的名稱

下面通過lldb命令來探索元類的走向，也就是isa的走位，如下圖所示，可以得出一個(gè)關(guān)系鏈：對(duì)象 --> 類 --> 元類 --> NSObject的元類, NSObject的元類 指向自身

image

總結(jié)

從圖中可以看出

  • 對(duì)象 的 isa 指向 類（也可稱為類對(duì)象）
  • 類 的 isa 指向 元類
  • 元類 的 isa 指向 根元類，即NSObject的元類
  • 根元類 的 isa 指向 它自己

著名的 isa走位 & 繼承關(guān)系 圖

根據(jù)上面的探索以及各種驗(yàn)證，對(duì)象、類、元類、根元類的關(guān)系如下圖所示

image

isa走位

isa的走向有以下幾點(diǎn)說明：

  • 實(shí)例對(duì)象（Instance of Subclass）的 isa 指向 類（class）
  • 類對(duì)象（class） isa 指向 元類（Meta class）
  • 元類（Meta class）的isa 指向 根元類（Root meta class）
  • 根元類（Root meta class） 的isa 指向它自己本身，形成閉環(huán)，這里的根元類就是NSObject的元類

superclass走位

superclass（即繼承關(guān)系）的走向也有以下幾點(diǎn)說明：

  • 類之間的繼承關(guān)系：
    • 類（subClass） 繼承自 父類（superClass）
    • 父類（superClass） 繼承自 根類（RootClass），此時(shí)的根類是指NSObject
    • 根類 繼承自 nil，所以根類即NSObject可以理解為萬物起源，即無中生有
  • 元類也存在繼承，元類之間的繼承關(guān)系如下：
    • 子類的元類（meta SubClass） 繼承自 父類的元類（meta SuperClass）
    • 父類的元類（meta SuperClass） 繼承自 根元類（Root meta Class）
    • 根元類（Root meta Class） 繼承于 根類（Root class），此時(shí)的根類是指NSObject
  • 【注意】實(shí)例對(duì)象之間沒有繼承關(guān)系，類之間有繼承關(guān)系

objc_class & objc_object

isa走位我們理清楚了，又來了一個(gè)新的問題：為什么 對(duì)象 和 類都有isa屬性呢？這里就不得不提到兩個(gè)結(jié)構(gòu)體類型：objc_class & objc_object

  • 在objc4源碼中搜索objc_class的定義，源碼中對(duì)其的定義有兩個(gè)版本

    • 舊版：位于runtime.h中，在OBJC2中已廢棄

      image

    • 新版：位于objc-runtime-new.h中，我們后面的類的結(jié)構(gòu)分析也是基于新版來分析的。

      image

從新版的定義中，可以看到 objc_class 結(jié)構(gòu)體類型是繼承自 objc_object的

  • 在objc4源碼中搜索objc_object的定義，發(fā)現(xiàn)也是有兩個(gè)版本

    • 一個(gè)是位于objc.h中，從編譯的main.cpp中可以看出，使用的是這個(gè)版本的objc_object

      image

    • 另外一個(gè)位于objc-privat.h

      image

以下是編譯后的main.cpp中的objc_object 和NSObject_IMPL的定義

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

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

typedef struct objc_class *Class;

【問題】objc_class 與 objc_object 有什么關(guān)系？

通過上述的源碼查找以及main.cpp中底層編譯源碼，有以下幾點(diǎn)說明：

  • objc_class 繼承自objc_object類型，其中objc_object也是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，且有一個(gè)isa屬性，所以objc_class也擁有了isa屬性

  • mian.cpp底層編譯文件中，objc_object中的isa在底層是由Class 定義的，其中Class的底層編碼是struct objc_class *的別名（即結(jié)構(gòu)體指針），所以NSObject也擁有了isa屬性

  • NSObject是一個(gè)類，用它初始化一個(gè)實(shí)例對(duì)象objc，objc滿足 objc_object的特性（即有isa屬性），主要是因?yàn)?code>isa 是由 NSObject 從objc_class繼承過來的，而objc_class繼承自objc_object，objc_object 有isa屬性。所以對(duì)象都有一個(gè) isa

  • objc_object（結(jié)構(gòu)體）是當(dāng)前的根對(duì)象，所有的對(duì)象都有這樣一個(gè)特性 objc_object，即擁有isa屬性

總結(jié)

  • 所有的對(duì)象、類、元類 都有isa屬性
  • 所有的對(duì)象都是由objc_object繼承來的
  • 簡(jiǎn)單概括就是萬物皆對(duì)象，萬物皆來源于objc_object，有以下兩點(diǎn)結(jié)論：
    • 所有以objc_object為模板，創(chuàng)建的對(duì)象，都有isa屬性
    • 所有以objc_class為模板，創(chuàng)建的類，都有isa屬性

類結(jié)構(gòu)分析

接下來主要是分析類信息中存儲(chǔ)了哪些內(nèi)容

內(nèi)存偏移

在分析類結(jié)構(gòu)之前，需要先了解內(nèi)存偏移，因?yàn)轭愋畔⒅性L問時(shí)，需要使用內(nèi)存偏移

普通指針

// 普通指針
int a = 10; // 變量
int b = 11;
int c = 12;
int d = 13;
NSLog(@"%d -- %p", a, &a);
NSLog(@"%d -- %p", b, &b);
NSLog(@"%d -- %p", c, &c);
NSLog(@"%d -- %p", d, &d);

打印結(jié)果如下圖所示：


image
  • 變量a、b、c、d存儲(chǔ)在棧區(qū)，是連續(xù)的內(nèi)存地址，棧區(qū)直接存儲(chǔ)的是值
  • a、b、c、d的地址之間都相差4字節(jié)，這取決于他們存儲(chǔ)的類型，Int類型占4字節(jié)
  • 棧區(qū)的地址 比 堆區(qū)的地址 大
  • 棧是從高地址->低地址，向下延伸，由系統(tǒng)自動(dòng)管理，是一片連續(xù)的內(nèi)存空間
  • 堆是從低地址->高地址，向上延伸，由程序員管理，堆空間結(jié)構(gòu)類似于鏈表，是不連續(xù)的

對(duì)象指針

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 對(duì)象指針
        HTPerson *p1 = [[HTPerson alloc] init];
        HTPerson *p2 = [[HTPerson alloc] init];
        NSLog(@"%@ -- %p", p1, &p1);
        NSLog(@"%@ -- %p", p2, &p2);
        NSLog(@"end");
    }
    return 0;
}

打印結(jié)果如下圖所示：


image
  • alloc開辟的內(nèi)存在堆區(qū)，局部變量存儲(chǔ)在棧區(qū)
  • p1、p2存儲(chǔ)在棧區(qū)，p1、p2內(nèi)存中存儲(chǔ)的是 [HTPerson alloc]的堆區(qū)地址

數(shù)組指針

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 數(shù)組指針
        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++) {
            //(d+i) 取地址里面的值
            int value =  *(d+i);
            NSLog(@"value = %d",value);
        }
        NSLog(@"end");
    }
    return 0;
}

打印結(jié)果如下圖所示：


image
  • &c 和 &c[0] 都是取 首地址，即數(shù)組名等于首地址
  • &c 與 &c[1]相差4字節(jié)，地址之間相差的字節(jié)數(shù)，主要取決于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)類型，即步長(zhǎng)
  • 可以通過 首地址+偏移量取出數(shù)組中的其他元素，其中偏移量等于步長(zhǎng) * 數(shù)組的下標(biāo)

類結(jié)構(gòu)組成

在前面的內(nèi)容，我們可以得到類的首地址，但是我們還不清楚類的結(jié)構(gòu)是什么，里面都存儲(chǔ)了什么東東

打開objc-818.2源碼，在objc-runtime-new.h中找到 objc_class的定義，如下

typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class : objc_object {
    ...
    // Class ISA;  // 8字節(jié)
    Class superclass; //8字節(jié)
    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，未貼出
}

objc_class繼承自objc_object，因此擁有isa屬性，從源碼我們可以看出，objc_class包含下列四個(gè)變量：

  • isa屬性：結(jié)構(gòu)體指針，繼承自objc_object的isa，占8字節(jié)
  • superclass屬性：結(jié)構(gòu)體指針，指向父類的地址，占8字節(jié)
  • cache屬性：是一個(gè)cache_t結(jié)構(gòu)體類型，取決于cache_t內(nèi)部結(jié)構(gòu)體成員的大小，占16字節(jié)
  • bits屬性：是一個(gè)class_data_bits_t結(jié)構(gòu)體類型，占8字節(jié)

我們可以通過lldb+sizeof()查看cache_t和class_data_bits_t的內(nèi)存大小，如下圖所示：

image

【驗(yàn)證】objc_class的內(nèi)存大小
定義兩個(gè)類HTPerson和HTTeacher，通過斷點(diǎn)來查看類和元類的地址，尋找規(guī)律

image

  • 從上圖可以發(fā)現(xiàn)，這幾個(gè)類地址之間相差0x28（40字節(jié)），正好和objc_class結(jié)構(gòu)體中成員變量所占的內(nèi)存相同，都是40字節(jié)

探究類里面的各個(gè)成員變量，成員變量的內(nèi)存地址如下

  • isa的內(nèi)存地址是類首地址
  • superclass的內(nèi)存地址是首地址+0x8
  • cache的內(nèi)存地址是首地址+0x10
  • bits的內(nèi)存地址是首地址+0x20

isa屬性

objc_class繼承自objc_object，因此擁有isa屬性，isa是結(jié)構(gòu)體指針，占8字節(jié)

  • 類對(duì)象（class） isa 指向 元類（Meta class）
  • 元類（Meta class）的isa 指向 根元類（Root meta class）
  • 根元類（Root meta class） 的isa 指向它自己本身，形成閉環(huán)，這里的根元類就是NSObject的元類

superclass屬性

Class superclass; //8字節(jié)也是結(jié)構(gòu)體指針，占8字節(jié)

  • 類之間的繼承關(guān)系：
    • 類（subClass） 繼承自 父類（superClass）
    • 父類（superClass） 繼承自 根類（RootClass），此時(shí)的根類是指NSObject
    • 根類 繼承自 nil，所以根類即NSObject可以理解為萬物起源，即無中生有
  • 元類也存在繼承，元類之間的繼承關(guān)系如下：
    • 子類的元類（meta SubClass） 繼承自 父類的元類（meta SuperClass）
    • 父類的元類（meta SuperClass） 繼承自 根元類（Root meta Class）
    • 根元類（Root meta Class） 繼承于 根類（Root class），此時(shí)的根類是指NSObject
  • 【注意】實(shí)例對(duì)象之間沒有繼承關(guān)系，類之間有繼承關(guān)系

cache屬性

cache_t結(jié)構(gòu)體大小

首先，我們來探究cache_t結(jié)構(gòu)體，源碼定義如下

typedef unsigned long           uintptr_t;

#if __LP64__
typedef uint32_t mask_t;  // x86_64 & arm64 asm are less efficient with 16-bits
#else
typedef uint16_t mask_t;
#endif

struct cache_t {
private:
    explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask; //8字節(jié)
    union {
        struct {
            explicit_atomic<mask_t>    _maybeMask; //4字節(jié)
#if __LP64__
            uint16_t                   _flags; //2字節(jié)
#endif
            uint16_t                   _occupied;//2字節(jié)
        };
        explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache; // 8字節(jié)
    };
    
    //...
    //下面是一些static屬性和方法，并不影響結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存大小，主要是因?yàn)閟tatic類型的屬性 不存在結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存中
}

cache_t是結(jié)構(gòu)體類型，有兩個(gè)成員變量：_bucketsAndMaybeMask和一個(gè)聯(lián)合體

  • _bucketsAndMaybeMask是uintptr_t類型，占8字節(jié)
  • 聯(lián)合體里面有兩個(gè)成員變量：結(jié)構(gòu)體和_originalPreoptCache，聯(lián)合體由最大的成員變量的大小決定
    • _originalPreoptCache是preopt_cache_t *結(jié)構(gòu)體指針，占8字節(jié)
    • 結(jié)構(gòu)體中有_maybeMask、_flags、_occupied三個(gè)成員變量。
      • _maybeMask的大小取決于mask_t即uint32_t，占4字節(jié)
      • _flags是uint16_t類型，占2字節(jié)
      • _occupied是uint16_t類型，占2字節(jié)

所以cache_t的大小等于 8+8或者8+4+2+2，即16字節(jié)

??我們看幾個(gè)重要的函數(shù)

fastInstanceSize函數(shù)

size_t fastInstanceSize(size_t extra) const {}記錄實(shí)例對(duì)象需要分配的內(nèi)存大小（16字節(jié)對(duì)齊），我們?cè)?a href="http://www.itdecent.cn/p/aa8c970191e0" target="_blank">iOS底層原理02：alloc & init & new 源碼分析已經(jīng)分析過了

size_t fastInstanceSize(size_t extra) const
{
    ASSERT(hasFastInstanceSize(extra));

    // Gcc的內(nèi)建函數(shù) __builtin_constant_p 用于判斷一個(gè)值是否為編譯時(shí)常數(shù)，如果參數(shù)EXP 的值是常數(shù)，函數(shù)返回 1，否則返回 0
    if (__builtin_constant_p(extra) && extra == 0) {
        return _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK16;
    } else {
        size_t size = _flags & FAST_CACHE_ALLOC_MASK;
        // remove the FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16 that was added
        // by setFastInstanceSize
        // 刪除由setFastInstanceSize添加的FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16 8個(gè)字節(jié)
        return align16(size + extra - FAST_CACHE_ALLOC_DELTA16);
    }
}
insert函數(shù)

void insert(SEL sel, IMP imp, id receiver);函數(shù)用來插入sel和imp，方法緩存，我們會(huì)在后面的篇章進(jìn)行分析

bits屬性

bits屬性是class_data_bits_t結(jié)構(gòu)體類型，有一個(gè)成員變量bits，占8字節(jié)，結(jié)構(gòu)如下

struct class_data_bits_t {
    friend objc_class; // 友元：objc_class可以調(diào)用 class_data_bits_t中的私有屬性和方法
    
    // Values are the FAST_ flags above.
    uintptr_t bits; // 8字節(jié)，類似于isa，通過位域來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)
    // ...
public:
    // 通過data()獲取數(shù)據(jù)
    class_rw_t* data() const {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
    // ...方法較多
}
  • 繼續(xù)查看class_rw_t結(jié)構(gòu)體
struct class_rw_t {
    // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
    uint32_t flags;
    uint16_t witness;
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    uint16_t index;
#endif

    explicit_atomic<uintptr_t> ro_or_rw_ext;

    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;
    
    // ...
    
    const class_ro_t *ro() const {...}
    
    void set_ro(const class_ro_t *ro) {...}
    
    const method_array_t methods() const {...}
    
    const property_array_t properties() const {...}
    
    const protocol_array_t protocols() const {...}
}
image.png

現(xiàn)在我們對(duì)objc_class的結(jié)構(gòu)有了初步的認(rèn)識(shí)，在后面的篇章中繼續(xù)深入分析bits和cache兩個(gè)屬性

類結(jié)構(gòu)分析傳送門：

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