在整理復(fù)習(xí) runtime 知識(shí)點(diǎn)的過程中，發(fā)現(xiàn)不得不鞏固 runtime 關(guān)于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)，所以單獨(dú)開篇關(guān)于 NSObject 文章

目錄

準(zhǔn)備：runtime 源碼

1. objc_object

2. Class superclass

3. class_data_bits_t bits

?(1). class_data_bits_t bits 掩碼取值

?(2). class_rw_t

?(3). class_ro_t

4. cache_t cache

5. realizeClass

正文

?在使用 Objective-C 語言中創(chuàng)建的所有類基類，絕大部分都是繼承自 NSObject（NSProxy除外，上文已經(jīng)有過說明，runtime的那些事(一)——runtime基礎(chǔ)介紹。因此想要深入學(xué)習(xí) iOS 底層知識(shí)，NSObject 類拿來開刀再合適不過了（一臉正經(jīng)：哈哈哈(?ω?)hiahiahia）
首先，進(jìn)入查看 NSObject 類結(jié)構(gòu)

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}

?過濾掉 clang 命令的忽略警告代碼，其作用為忽略不推薦使用接口中的實(shí)例變量聲明（關(guān)于 clang diagnostic 處理警告用法，可查詢clang.llvm.org提供的文檔說明，發(fā)現(xiàn) NSObject 類只有一個(gè)實(shí)例變量Class isa，而Class定義為typedef struct objc_class *Class;，作用為指向objc_class的指針。

runtime 源碼準(zhǔn)備

?如果繼續(xù)深入關(guān)于objc_class的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就不能僅僅通過 Xcode 查看，因?yàn)樵?Xcode 中提供給我們的 runtime API，是已經(jīng)被廢棄的 Legacy 版本，若是想要查看現(xiàn)行使用的 Modern 版本，則可以從 Apple開源項(xiàng)目鏈接 查看下載最新版本，寫此文章時(shí)，runtime 最新版本為 objc4-750.1。但直接下載的 runtime 源碼是無法在 Xcode 編譯通過，而且若系統(tǒng)升級(jí)到macOS Mojave，則只能使用 obj4_750 版本，舊版本會(huì)報(bào)錯(cuò)。關(guān)于可編譯runtime源碼，直接從該鏈接下載Runtime源碼objc4-750編譯
回到正題，有了 runtime 的源碼，就可以看到現(xiàn)行 Objective-C 2.0 版本關(guān)于objc_class 結(jié)構(gòu)體組成
?在結(jié)構(gòu)體里，objc_class繼承自objc_object，意味著 class 本身在 runtime 中被作為對(duì)象來處理。而且objc_object本身也是一個(gè) struct 結(jié)構(gòu)體。objc_class 結(jié)構(gòu)體的完整聲明函數(shù)占據(jù)了300行代碼。其中有幾個(gè)最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的屬性Class superclass;、cache_t cache;、class_data_bits_t bits;、class_rw_t *data() { return bits.data(); }、void setData(class_rw_t *newData) { bits.setData(newData); }

結(jié)構(gòu)體聲明截圖

1. objc_object

objc_class 繼承自 objc_object，objc_object 中存在一個(gè) isa 指針，因此 objc_class 也擁有自己的 isa 指針。在 Objective-C 語言中，所有的對(duì)象都會(huì)擁有一個(gè) isa 指針，指針指向當(dāng)前對(duì)象所屬的類，通過 isa 可在運(yùn)行時(shí)當(dāng)前對(duì)象的所屬類。關(guān)于 isa 指針，這篇 isa的本質(zhì) 文章個(gè)人認(rèn)為是解釋最全面細(xì)致的。

objc_object結(jié)構(gòu)體

2. Class superclass

Class superclass;，此處就是消息執(zhí)行流程向父類傳遞最重要的實(shí)現(xiàn)屬性，代表著作為當(dāng)前類的父類

3. class_data_bits_t bits

?class_data_bits_t bits;，objc_class結(jié)構(gòu)體的核心，用于存儲(chǔ)類的屬性、方法、遵循的協(xié)議等各種信息。其本質(zhì)是一個(gè)可被 Mask 標(biāo)記的指針類型，根據(jù)不同 Mask，取出對(duì)應(yīng)不同值。

    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

?在該結(jié)構(gòu)體聲明 bits 的右側(cè)，runtime 注釋了 bits 相當(dāng)于 class_rw_t 結(jié)構(gòu)體加上 rr/alloc 的flag標(biāo)記

class_data_bits_t 結(jié)構(gòu)體聲明

在寫文章過程中不斷出現(xiàn)早已變陌生的知識(shí)點(diǎn)，自己看著也是頭暈，決定一步一步消化掉

(1). 如何通過一個(gè) uint 指針獲取類中各種不同信息？

?runtime 中已經(jīng)聲明 class_data_bits_t bits 對(duì)于 data 數(shù)據(jù)讀取維護(hù)，基于 class_rw_t * 的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)進(jìn)行。執(zhí)行 class_data_bits_t bits 結(jié)構(gòu)體或者 objc_class 中的 data() 方法，會(huì)返回同一個(gè) class_rw_t * 指針。
首先，要了解 class_data_bits_t bits 在內(nèi)存中不同系統(tǒng)架構(gòu)存在不同的位排列方式：
32位

64位兼容

64位不兼容

    class_rw_t* data() {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }

?當(dāng)通過 data() 方法讀取 class_rw_t * 指針數(shù)據(jù)時(shí)，runtime 代碼會(huì)添加一個(gè) FAST_DATA_MASK 宏定義判斷，為啥要加這個(gè)宏定義？FAST_DATA_MASK 的宏定義如下

// data pointer
#define FAST_DATA_MASK          0x00007ffffffffff8UL

?使用MacOS自帶的計(jì)算器，將上述十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制后：

轉(zhuǎn)換結(jié)果

(2). class_rw_t

接下來，繼續(xù)深入，剛才已經(jīng)得知 class_data_bits_t *bits 結(jié)構(gòu)體中真正存儲(chǔ)類信息的是 class_rw_t，看下其中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

class_rw_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(3). class_ro_t

關(guān)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)，直接貼代碼

class_ro_t

• 類的結(jié)構(gòu)體 class_data_bits_t 指向了 class_ro_t 指針；
• 類的屬性、方法、遵循協(xié)議數(shù)組都是在編譯期就已經(jīng)確定(不包括分類信息)，為只讀屬性，存儲(chǔ)于 class_ro_t；
• 類定義的實(shí)例化方法會(huì)添加至 class_ro_t 的 baseMethodList 中

?換句話說，class_rw_t 不同于 class_ro_t，在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)將類的分類信息加入對(duì)應(yīng)數(shù)組中，為類提供了很好的擴(kuò)展能力，這也印證了 Objective-C 動(dòng)態(tài)語言的特性。

4. cache_t cache

?發(fā)送消息時(shí)若每次從方法列表中去查找，性能會(huì)發(fā)生損耗，并且類存在繼承關(guān)系時(shí)，方法查找鏈會(huì)更長(zhǎng)，損耗更嚴(yán)重，而 cache_t cache; 正是為了解決方法查找所引發(fā)的性能問題。通過散列表形式緩存調(diào)用過的方法函數(shù)，大幅提高訪問速度。

cache_t結(jié)構(gòu)體

• struct bucket_t *_buckets;，是其核心部分，通過散列表來實(shí)現(xiàn)，并以key與對(duì)應(yīng)IMP來存儲(chǔ)的緩存節(jié)點(diǎn)
• mask_t _mask;，代表用來分配緩存bucket 總數(shù)-1
• mask_t _occupied;，代表當(dāng)前已實(shí)際占用的緩存bucket數(shù)量
  ?此處又碰到了一個(gè)mask_t的類型聲明，查看后發(fā)現(xiàn)是一個(gè)通過 typedef 定義的數(shù)據(jù)類型，uint32_t代表32位無符號(hào)類型的數(shù)據(jù)，uint64_t代表64位無符號(hào)類型的數(shù)據(jù)。
  
  mask_t聲明
  
  接下來就看下bucket_t類型的組成
  
  bucket_t聲明
  
  cache_key_t _key代表@selector的方法名稱
  IMP _imp代表函數(shù)的存儲(chǔ)地址
  ?在public中，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)key與對(duì)應(yīng)IMP的存儲(chǔ)過程，此處通過C++代碼分別實(shí)現(xiàn)了Key與IMP的 set 與 get 方法，并通過void bucket_t::set(cache_key_t newKey, IMP newImp)函數(shù)方法完成賦值。
  
  void bucket_t::set(cache_key_t newKey, IMP newImp)方法實(shí)現(xiàn)
  
  在該實(shí)現(xiàn)方法中，我理解的賦值流程是，
  ?1. 當(dāng)_key值為0或者_key內(nèi)容（即selector方法名稱）與傳參newKey相同時(shí)，不再進(jìn)行下一步操作、
  ?2. newImp直接賦值給_imp
  ?3. 當(dāng)_key與newKey內(nèi)容不相等時(shí)，會(huì)將newKey賦值給_key。
  在第3步執(zhí)行前，先去執(zhí)行了mega_barrier()宏定義，為什么要先執(zhí)行該函數(shù)再去賦值_key？
  習(xí)慣性的點(diǎn)進(jìn)了mega_barrier()宏定義聲明，然后是一臉懵。。。
  
  mega_barrier()聲明
  
  ?但我不甘心就此止步，于是 Google 了半天，最后在早已關(guān)注的歐陽大哥簡(jiǎn)書深入解構(gòu)objc_msgSend函數(shù)的實(shí)現(xiàn)文章找到了答案。
  ?原來此處使用了編譯內(nèi)存屏障(Compiler Memory Barrier)技術(shù)，使用的原因是：因?yàn)槌绦蛟谶\(yùn)行時(shí)內(nèi)存實(shí)際的訪問順序與程序代碼編寫訪問順序不保證一致，即內(nèi)存亂序訪問（內(nèi)存亂序訪問的初衷是為了提升程序運(yùn)行時(shí)性能），因此添加 mega_barrier() 確保內(nèi)存訪問順序與代碼編寫訪問順序一致。此處若不添加mega_barrier()函數(shù)，則可能會(huì)造成先執(zhí)行了_key的賦值，再執(zhí)行_imp的賦值問題。

cache 查找過程：（以對(duì)象方法為例）
?(1). 通過isa查找到指定 class
?(2). 從 cache 中查找，若存在緩存，則直接調(diào)用
?(3). 若緩存中不存在方法，則在自己的 class 里 bits 的 rw 中查找方法
?(4). 若找到該方法則調(diào)用，并將方法緩存至cache中
?(5). 若沒有找到，則通過 superclass 找到父類，繼續(xù)從父類class里 bits 的 rw 中查找方法
?(6). 若在父類中找到，則直接調(diào)用，并將方法緩存至自己 class 中；若找不到，則一直向上查找

內(nèi)部 cache 原理因篇幅限制，會(huì)再開一篇新文章分析。

5. realizeClass

?這里單獨(dú)把 realizeClass 提溜出來，主要是用于類首次初始化流程，其重要性不言而喻。
?相對(duì)于在運(yùn)行時(shí)，對(duì)于類信息的處理，主要依靠于 realizeClass 函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。這里僅僅是介紹下 realizeClass 函數(shù)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，關(guān)于類的初始化流程放在后續(xù)文章中。

附上結(jié)構(gòu)體源代碼

realizeClass函數(shù)部分代碼

    ro = (const class_ro_t *)cls->data();
    if (ro->flags & RO_FUTURE) {
        // This was a future class. rw data is already allocated.
        rw = cls->data();
        ro = cls->data()->ro;
        cls->changeInfo(RW_REALIZED|RW_REALIZING, RW_FUTURE);
    } else {
        // Normal class. Allocate writeable class data.
        rw = (class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1);
        rw->ro = ro;
        rw->flags = RW_REALIZED|RW_REALIZING;
        cls->setData(rw);
    }

• 通過 data() 方法獲取到 class_rw_t 類型指針，并強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成 class_ro_t 類型指針賦值給 ro。
• 判斷若是普通的類，rw數(shù)據(jù)已經(jīng) allocated 分配了空間，則初始化一個(gè) class_rw_t 類型的結(jié)構(gòu)體 rw。
• 對(duì) rw 中 ro 屬性進(jìn)行指向第一步中被強(qiáng)制轉(zhuǎn)換的 ro 指針操作， 并對(duì) flags 屬性進(jìn)行位移操作，此處位移作用：表明當(dāng)前類已開始實(shí)現(xiàn)但未完成或已完成實(shí)現(xiàn)。
• 最終將經(jīng)過修改的 rw 設(shè)置為 class_data_bits_t *bits的 data 值，即 objc_class 中最終完整的類結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

?在上述流程執(zhí)行前，realizeClass 執(zhí)行了 runtimeLock.assertWriting(); 代碼，我個(gè)人理解的代碼作用，是對(duì)數(shù)據(jù)的寫入進(jìn)行了線程保護(hù)，并且由調(diào)用方(即函數(shù)的入?yún)lass對(duì)象)進(jìn)行寫入鎖定操作，保障數(shù)據(jù)寫入安全。

? runtime 類的運(yùn)行邏輯：在編譯時(shí)，類的方法、屬性、協(xié)議等信息都存在于常量 class_ro_t 中，且無法再進(jìn)行更改，這時(shí)class_data_bits_t中通過 data() 方法獲取數(shù)據(jù)指向的是 class_ro_t 。到了運(yùn)行時(shí)，類就能夠動(dòng)態(tài)創(chuàng)建 class_rw_t 指針并將 class_ro_t 中的信息存儲(chǔ)，同時(shí)會(huì)將類的分類信息(包括：分類中的方法、屬性、協(xié)議等)一并存儲(chǔ)。通過二維數(shù)組進(jìn)行排序，將分類信息放入數(shù)組前端，class_ro_t 中已有類信息放入數(shù)組后端。此時(shí)，class_data_bits_t 通過 data() 方法指針由 class_ro_t 變成了指向 class_rw_t 。以上的操作，是通過 realizeClass 函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。

上面所寫的，是對(duì) NSObject 類的結(jié)構(gòu)分析，文章初衷是計(jì)劃把 IMP 、NSInvocation、以及 NSObject 類初始化流程等 runtime 知識(shí)點(diǎn)都囊括，作為一個(gè)總結(jié)。但 runtime 的內(nèi)容真的不是一兩篇就可以寫完的，寫作過程中發(fā)現(xiàn)僅僅是 NSObject 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)介紹就占用了這么多篇幅。下一篇準(zhǔn)備寫下 NSObject 類在初始化流程。

該文章首次發(fā)表在 簡(jiǎn)書：我只不過是出來寫寫代碼 博客，并自動(dòng)同步至 騰訊云：我只不過是出來寫寫iOS 博客