iOS底層原理總結(jié) - 探尋Class的本質(zhì)
對小碼哥底層班視頻學(xué)習(xí)的總結(jié)與記錄。面試題部分，通過對面試題的分析探索問題的本質(zhì)內(nèi)容。
上接 iOS底層原理總結(jié) - 探尋OC對象的本質(zhì)
Class的本質(zhì)
我們知道不管是類對象還是元類對象，類型都是Class，class和mete-class的底層都是objc_class結(jié)構(gòu)體的指針，內(nèi)存中就是結(jié)構(gòu)體，本章來探尋Class的本質(zhì)。
Class objectClass = [NSObject class];
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
點(diǎn)擊Class來到內(nèi)部，我們可以發(fā)現(xiàn)
typedef struct objc_class *Class;
Class對象其實(shí)是一個(gè)指向objc_class結(jié)構(gòu)體的指針。因此我們可以說類對象或元類對象在內(nèi)存中其實(shí)就是objc_class結(jié)構(gòu)體。
我們來到objc_class內(nèi)部，可以看到這段在底層原理中經(jīng)常出現(xiàn)的代碼。
struct objc_class {
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
Class _Nullable super_class OBJC2_UNAVAILABLE;
const char * _Nonnull name OBJC2_UNAVAILABLE;
long version OBJC2_UNAVAILABLE;
long info OBJC2_UNAVAILABLE;
long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_ivar_list * _Nullable ivars OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_cache * _Nonnull cache OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_protocol_list * _Nullable protocols OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */
這部分代碼相信在文章中很常見，但是OBJC2_UNAVAILABLE;說明這些代碼已經(jīng)不在使用了。那么目前objc_class的結(jié)構(gòu)是什么樣的呢？我們通過objc源碼中去查找objc_class結(jié)構(gòu)體的內(nèi)容。
我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)結(jié)構(gòu)體繼承 objc_object 并且結(jié)構(gòu)體內(nèi)有一些函數(shù)，因?yàn)檫@是c++結(jié)構(gòu)體，在c上做了擴(kuò)展，因此結(jié)構(gòu)體中可以包含函數(shù)。我們來到objc_object內(nèi)，截取部分代碼
我們發(fā)現(xiàn)objc_object中有一個(gè)isa指針，那么objc_class繼承objc_object，也就同樣擁有一個(gè)isa指針
那么我們之前了解到的，類中存儲的類的成員變量信息，實(shí)例方法，屬性名等這些信息在哪里呢。我們來到class_rw_t中，截取部分代碼，我們發(fā)現(xiàn)class_rw_t中存儲著方法列表，屬性列表，協(xié)議列表等內(nèi)容。
而class_rw_t是通過bits調(diào)用data方法得來的，我們來到data方法內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。我們可以看到，data函數(shù)內(nèi)部僅僅對bits進(jìn)行&FAST_DATA_MASK操作
而成員變量信息則是存儲在class_ro_t內(nèi)部中的，我們來到class_ro_t內(nèi)查看。
最后總結(jié)通過一張圖進(jìn)行總結(jié)
如何證明上述內(nèi)容是正確的。
我們可以自定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體，如果我們自己寫的結(jié)構(gòu)和objc_class真實(shí)結(jié)構(gòu)是一樣的，那么當(dāng)我們強(qiáng)制轉(zhuǎn)化的時(shí)候，就會一一對應(yīng)的賦值。此時(shí)我們就可以拿到結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的信息。
下列代碼是我們仿照objc_class結(jié)構(gòu)體，提取其中需要使用到的信息，自定義的一個(gè)結(jié)構(gòu)體。
#import <Foundation/Foundation.h>
#ifndef XXClassInfo_h
#define XXClassInfo_h
# if __arm64__
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
# define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
# endif
#if __LP64__
typedef uint32_t mask_t;
#else
typedef uint16_t mask_t;
#endif
typedef uintptr_t cache_key_t;
struct bucket_t {
cache_key_t _key;
IMP _imp;
};
struct cache_t {
bucket_t *_buckets;
mask_t _mask;
mask_t _occupied;
};
struct entsize_list_tt {
uint32_t entsizeAndFlags;
uint32_t count;
};
struct method_t {
SEL name;
const char *types;
IMP imp;
};
struct method_list_t : entsize_list_tt {
method_t first;
};
struct ivar_t {
int32_t *offset;
const char *name;
const char *type;
uint32_t alignment_raw;
uint32_t size;
};
struct ivar_list_t : entsize_list_tt {
ivar_t first;
};
struct property_t {
const char *name;
const char *attributes;
};
struct property_list_t : entsize_list_tt {
property_t first;
};
struct chained_property_list {
chained_property_list *next;
uint32_t count;
property_t list[0];
};
typedef uintptr_t protocol_ref_t;
struct protocol_list_t {
uintptr_t count;
protocol_ref_t list[0];
};
struct class_ro_t {
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize; // instance對象占用的內(nèi)存空間
#ifdef __LP64__
uint32_t reserved;
#endif
const uint8_t * ivarLayout;
const char * name; // 類名
method_list_t * baseMethodList;
protocol_list_t * baseProtocols;
const ivar_list_t * ivars; // 成員變量列表
const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
};
struct class_rw_t {
uint32_t flags;
uint32_t version;
const class_ro_t *ro;
method_list_t * methods; // 方法列表
property_list_t *properties; // 屬性列表
const protocol_list_t * protocols; // 協(xié)議列表
Class firstSubclass;
Class nextSiblingClass;
char *demangledName;
};
#define FAST_DATA_MASK 0x00007ffffffffff8UL
struct class_data_bits_t {
uintptr_t bits;
public:
class_rw_t* data() { // 提供data()方法進(jìn)行 & FAST_DATA_MASK 操作
return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}
};
/* OC對象 */
struct xx_objc_object {
void *isa;
};
/* 類對象 */
struct xx_objc_class : xx_objc_object {
Class superclass;
cache_t cache;
class_data_bits_t bits;
public:
class_rw_t* data() {
return bits.data();
}
xx_objc_class* metaClass() { // 提供metaClass函數(shù)，獲取元類對象
// 上一篇我們講解過，isa指針需要經(jīng)過一次 & ISA_MASK操作之后才得到真正的地址
return (xx_objc_class *)((long long)isa & ISA_MASK);
}
};
#endif /* XXClassInfo_h */
接下來我們將自己定義的類強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為我們自定義的精簡的class結(jié)構(gòu)體類型。
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
#import "XXClassInfo.h"
/* Person */
@interface Person : NSObject <NSCopying>
{
@public
int _age;
}
@property (nonatomic, assign) int height;
- (void)personMethod;
+ (void)personClassMethod;
@end
@implementation Person
- (void)personMethod {}
+ (void)personClassMethod {}
@end
/* Student */
@interface Student : Person <NSCoding>
{
@public
int _no;
}
@property (nonatomic, assign) int score;
- (void)studentMethod;
+ (void)studentClassMethod;
@end
@implementation Student
- (void)studentMethod {}
+ (void)studentClassMethod {}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
Person *person = [[Person alloc] init];
Student *student = [[Student alloc] init];
xx_objc_class *objectClass = (__bridge xx_objc_class *)[object class];
xx_objc_class *personClass = (__bridge xx_objc_class *)[person class];
xx_objc_class *studentClass = (__bridge xx_objc_class *)[student class];
xx_objc_class *objectMetaClass = objectClass->metaClass();
xx_objc_class *personMetaClass = personClass->metaClass();
xx_objc_class *studentMetaClass = studentClass->metaClass();
class_rw_t *objectClassData = objectClass->data();
class_rw_t *personClassData = personClass->data();
class_rw_t *studentClassData = studentClass->data();
class_rw_t *objectMetaClassData = objectMetaClass->data();
class_rw_t *personMetaClassData = personMetaClass->data();
class_rw_t *studentMetaClassData = studentMetaClass->data();
// 0x00007ffffffffff8
NSLog(@"%p %p %p %p %p %p", objectClassData, personClassData, studentClassData,
objectMetaClassData, personMetaClassData, studentMetaClassData);
return 0;
}
通過打斷點(diǎn)，我們可以看到class內(nèi)部信息。
至此，我們再次拿出那張經(jīng)典的圖，挨個(gè)分析圖中isa指針和superclass指針的指向
instance對象
首先我們來看instance對象，我們通過上一篇文章知道，instance對象中存儲著isa指針和其他成員變量，并且instance對象的isa指針是指向其類對象地址的。我們首先分析上述代碼中我們創(chuàng)建的object，person，student三個(gè)instance對象與其相對應(yīng)的類對象objectClass，personClass，studentClass。
從上圖中我們可以發(fā)現(xiàn)instance對象中確實(shí)存儲了isa指針和其成員變量，同時(shí)將instance對象的isa指針經(jīng)過&運(yùn)算之后計(jì)算出的地址確實(shí)是其相應(yīng)類對象的內(nèi)存地址。由此我們證明isa，superclass指向圖中的1，2，3號線。
class對象
接著我們來看class對象，同樣通過上一篇文章，我們明確class對象中存儲著isa指針，superclass指針，以及類的屬性信息，類的成員變量信息，類的對象方法，和類的協(xié)議信息，而通過上面對object源碼的分析，我們知道這些信息存儲在class對象的class_rw_t中，我們通過強(qiáng)制轉(zhuǎn)化來窺探其中的內(nèi)容。如下圖
上圖中我們通過模擬對person類對象調(diào)用.data函數(shù)，即對bits進(jìn)行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)運(yùn)算，并轉(zhuǎn)化為class_rw_t。即上圖中的personClassData。其中我們發(fā)現(xiàn)成員變量信息，對象方法，屬性等信息只顯示first第一個(gè)，如果想要拿到更多的需要通過代碼將指針后移獲取。而上圖中的instaceSize = 16也同person對象中isa指針8個(gè)字節(jié)+_age4個(gè)字節(jié)+_height4個(gè)字節(jié)相對應(yīng)起來。這里不在展開對objectClassData及studentClassData進(jìn)行分析，基本內(nèi)容同personClassData相同。
那么類對象中的isa指針和superclass指針的指向是否如那張經(jīng)典的圖示呢？我們來驗(yàn)證一下。
通過上圖中的內(nèi)存地址的分析，由此我們證明isa，superclass指向圖中，isa指針的4，5，6號線，以及superclass指針的10，11，12號線。
meta-class對象
最后我們來看meta-class元類對象，上文提到meta-class中存儲著isa指針，superclass指針，以及類的類方法信息。同時(shí)我們知道m(xù)eta-class元類對象與class類對象，具有相同的結(jié)構(gòu)，只不過存儲的信息不同，并且元類對象的isa指針指向基類的元類對象，基類的元類對象的isa指針指向自己。元類對象的superclass指針指向其父類的元類對象，基類的元類對象的superclass指針指向其類對象。
與class對象相同，我們同樣通過模擬對person元類對象調(diào)用.data函數(shù)，即對bits進(jìn)行&FAST_DATA_MASK(0x00007ffffffffff8UL)運(yùn)算，并轉(zhuǎn)化為class_rw_t。
首先我們可以看到結(jié)構(gòu)同personClassData相同，并且成員變量及屬性列表等信息為空，而methods中存儲著類方法personClassMethod。
接著來驗(yàn)證isa及superclass指針的指向是否同上圖序號標(biāo)注一樣。
上圖中通過地址證明meta-class的isa指向基類的meta-class，基類的isa指針也指向自己。
上圖中通過地址證明meta-class的superclass指向父類的meta-class，基類的meta-class的superclass指向基類的class類。
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最近看到一句話，在這里與大家共勉。當(dāng)承認(rèn)自己與別人的差距的時(shí)候，會變得很輕松。因?yàn)槲覀兘K于不用計(jì)較為什么他行我不行，終于不用默默努力較勁心里告訴自己一定要超過別人。而同時(shí)也失去了斗志，失去了戰(zhàn)勝別人得唯一籌碼。最怕一生碌碌無為，還安慰自己平凡可貴。
文中如果有不對的地方歡迎指出。我是xx_cc，一只長大很久但還沒有二夠的家伙。
