這篇文章源于美團(tuán)面試官問(wèn)的我一個(gè)問(wèn)題，為什么Objective-C中有Class和MetaClass這種設(shè)計(jì)？去掉是否可以？當(dāng)時(shí)的我并沒(méi)有深入思考過(guò)這個(gè)問(wèn)題，而網(wǎng)上搜索的結(jié)果都是在闡述有MetaClass而簡(jiǎn)略的解釋了原因。我認(rèn)為這個(gè)問(wèn)題是個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題，花了大概兩周時(shí)間查閱資料，查看源碼。這篇文章試圖展開(kāi)探討一個(gè)問(wèn)題，為什么Objective-C中有MetaClass這個(gè)設(shè)計(jì)？
前置知識(shí)
首先簡(jiǎn)單分析下在Objective-C中，對(duì)象是什么。下面源碼基于Runtime-709分析。
typedef struct objc_object *id;//id其實(shí)是一個(gè)object結(jié)構(gòu)體的指針，所以id不用加*
typedef struct objc_class *Class;//Class是class結(jié)構(gòu)體的指針
struct objc_object {
Class isa;
};
struct objc_class : objc_object {
Class superclass;
cache_t cache; // 用來(lái)緩存指針和虛函數(shù)表
class_data_bits_t bits; //方法列表等
//...
}
可以看到，對(duì)象最基本的就是有一個(gè)isa指針，指向他的class，而Class本身是繼承自object。isa指針的理解誒就是英文is a，代表“xxx is a （class）”。那么也就是說(shuō)，一個(gè)對(duì)象的isa指向哪個(gè)class，代表它是那個(gè)類的對(duì)象。那么對(duì)于class來(lái)說(shuō)，它也是一個(gè)對(duì)象，它的isa指針指向什么呢？
對(duì)于Class來(lái)說(shuō)，也就需要一個(gè)描述他的類，也就是“類的類”，而meta正是“關(guān)于某事自身的某事”的解釋，所以MetaClass就因此而生了。
而從runtime動(dòng)態(tài)生成一個(gè)類的Api的方法中，我們也可以發(fā)現(xiàn)metaClass的蹤跡。
Class objc_allocateClassPair(Class superclass, const char *name,
size_t extraBytes)
{
Class cls, meta;
rwlock_writer_t lock(runtimeLock);
// 如果 Class 名字已存在或父類沒(méi)有通過(guò)認(rèn)證則創(chuàng)建失敗
if (getClass(name) || !verifySuperclass(superclass, true/*rootOK*/)) {
return nil;
}
//分配空間
cls = alloc_class_for_subclass(superclass, extraBytes);
meta = alloc_class_for_subclass(superclass, extraBytes);
//構(gòu)建meta和class的關(guān)系
objc_initializeClassPair_internal(superclass, name, cls, meta);
return cls;
}
通過(guò)這個(gè)方法生成后，就成了大家熟悉的那張圖。
從這張圖上，我們可以看到通過(guò)這么一層繼承關(guān)系，Objective-C的對(duì)象原型繼承鏈就完整了。
同時(shí)，實(shí)例的實(shí)例方法函數(shù)存在類結(jié)構(gòu)體中，類方法函數(shù)存在metaclass結(jié)構(gòu)體中，而Objective-C的方法調(diào)用（消息）就會(huì)根據(jù)對(duì)象去找isa指針指向的Class對(duì)象中的方法列表找到對(duì)應(yīng)的方法。
Python中的MetaClass
再講Objective-C之前，先講講別的語(yǔ)言的設(shè)計(jì)，通過(guò)各種語(yǔ)言的比較，可以從更廣的層面去理解語(yǔ)言的設(shè)計(jì)思想。而之所以先講起Python，是因?yàn)槲以谒阉鱉etaClass時(shí)，搜索結(jié)果中大部分其實(shí)是講Python中MetaClass的。
先看看Python中一個(gè)對(duì)象結(jié)構(gòu)是怎么樣的，以下源碼基于CPython 3.7.0 alpha 1。
//object.h
typedef struct _object {
_PyObject_HEAD_EXTRA
Py_ssize_t ob_refcnt;//引用計(jì)數(shù)
struct _typeobject *ob_type;//類型
} PyObject;
和Objective-C中類似，ob_type其實(shí)就是一個(gè)isa指針，代表是什么類型。
而再看看PyTypeObject是怎么樣的。
//object.h
typedef struct _typeobject {
PyObject_VAR_HEAD
const char *tp_name; /* For printing, in format "<module>.<name>" */
Py_ssize_t tp_basicsize, tp_itemsize; /* For allocation */
//....
} PyTypeObject;
#define PyObject_VAR_HEAD PyVarObject ob_base;
typedef struct {
PyObject ob_base;
Py_ssize_t ob_size; //對(duì)象長(zhǎng)度
} PyVarObject;
PyVarObject是一種可變長(zhǎng)度對(duì)象，是在PyObject基礎(chǔ)上加上了對(duì)象的長(zhǎng)度。而開(kāi)始的內(nèi)存包括了ob_base這個(gè)PyObject，就代表可以用PyObject指針進(jìn)行引用。所以可以說(shuō)，結(jié)構(gòu)體中剛開(kāi)始的部分是一個(gè)PyObject對(duì)象，在Python中引用就是一個(gè)對(duì)象。那么PyTypeObject開(kāi)頭是一個(gè)PyVarObject，也就是一個(gè)對(duì)象。也就是說(shuō)，Python里的Class，也是一個(gè)對(duì)象。
#在python中生成一個(gè)Class
MyClass = type('MyClass', (), {})
先看看Python里面的type關(guān)鍵字是什么。
//bltinmodule.c
SETBUILTIN("type", &PyType_Type);
//typeobject.c
PyTypeObject PyType_Type = {
PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
"type", /* tp_name */
//.....
type_init, /* tp_init */
//....
type_new, /* tp_new */
//....
};
可以發(fā)現(xiàn)type關(guān)鍵字是PyType_Type的一個(gè)引用，而PyType_Type是返回一個(gè)PyTypeObject，生成類的對(duì)象。而PyVarObject_HEAD_INIT遞歸引用了自己（PyType_Type）作為它的type，所以可以得知type(class) == type 。也就是說(shuō)，Python中類的isa指針指向type，也就說(shuō)type其實(shí)就是MetaClass，而同時(shí)type(type) == type，也就是type的isa指針指向type自身。那么Python的對(duì)象鏈就如下圖。
而Objective-C不太一樣的是，并不是每一個(gè)類都有一個(gè)MetaClass，而是所有的類默認(rèn)都是同一個(gè)MetaClass。當(dāng)然，Python里可以自定義新的MetaClass。
Python中為何要使用元類的原因可能是，Python希望讓使用者對(duì)類有著最高的控制權(quán)，可以通過(guò)對(duì)元類的自定義而改變制造類的過(guò)程（例如Django里的ORM）。也就是，Python開(kāi)放了面向?qū)ο笾?strong>類的制造者的權(quán)限。而同時(shí)，根據(jù)StackOverFlow這個(gè)問(wèn)答，Python的類的設(shè)計(jì)是借鑒于Smalltalk這門語(yǔ)言。
Smalltalk??！Objective-C的特性基本上是照搬的Smalltalk，看來(lái)Smalltalk里可以找到一些線索。
Smalltalk-面向?qū)ο蟮那拜?/h3>
Smalltalk，被公認(rèn)為歷史上第二個(gè)面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，其亮點(diǎn)是它的消息發(fā)送機(jī)制。
Smalltalk中的MetaClass的設(shè)計(jì)是Smalltalk-80加入的。而之前的Smalltalk-76，并不是每個(gè)類有一個(gè)MetaClass，而是所有類的isa指針都指向一個(gè)特殊的類，叫做Class(這種設(shè)計(jì)之后也被Java借鑒了）。
而每個(gè)類都有自己MetaClass的設(shè)計(jì)，加入的原因是，因?yàn)镾malltalk里面，類是對(duì)象，而對(duì)象就可以響應(yīng)消息，那么類的消息的響應(yīng)的方法就應(yīng)該由類的類去存儲(chǔ)，而每個(gè)MetaClass就持有每個(gè)類的類方法。
問(wèn)題1：每個(gè)MetaClass的isa指針指向什么？
如果MetaClass再有MetaClass，那么這個(gè)關(guān)系將無(wú)窮無(wú)盡。Smalltalk里的解決方案是，指向同一個(gè)叫MetaClass的類。
問(wèn)題2：MetaClass的isa指針指向什么？
指向他的實(shí)例，也就是實(shí)例的isa指向MetaClass，同時(shí)MetaClassisa指向?qū)嵗嗷ブ钢?/p>
那么Smalltalk的繼承關(guān)系，其實(shí)和Objective-C的很像了（后面有class的是前者的MetaClass）。
這時(shí)候產(chǎn)生了一個(gè)重要的問(wèn)題，假如去掉MetaClass，把類方法放到也類里面是否可行？
這個(gè)問(wèn)題，我思索許久，發(fā)現(xiàn)其實(shí)是一個(gè)對(duì)面向?qū)ο蟮恼軐W(xué)思想問(wèn)題，要對(duì)這個(gè)問(wèn)題下結(jié)論，不得不重新講講面向?qū)ο蟆?/p>
從Smalltalk重新認(rèn)識(shí)面向?qū)ο?/h3>
以前談到面向?qū)ο螅倳?huì)提到，面向?qū)ο笕卣鳎?strong>封裝、繼承、多態(tài)。但其實(shí)，面向?qū)ο笾幸卜至髋?，如C++這種來(lái)自Simula的設(shè)計(jì)思想的，更注重的是類的劃分，因?yàn)榉椒ㄕ{(diào)用是靜態(tài)的。而如Objective-C這種借鑒Smalltalk的，更注重的是消息傳遞，是動(dòng)態(tài)響應(yīng)消息。
而面向?qū)ο笕N特征，更基于的是類的劃分而提出的。
這兩種思想最大的不同，我認(rèn)為是自上而下和自下而上的思考方式。
- 類的劃分，要求類的設(shè)計(jì)者是以一個(gè)很高的層次去設(shè)計(jì)這個(gè)類，提取出類的特性和本質(zhì)，進(jìn)行類的構(gòu)建。知道類型才可以去發(fā)送消息給對(duì)象。
- 消息傳遞，要求的是類的設(shè)計(jì)者以消息為起點(diǎn)去構(gòu)建類，也就是對(duì)外界的變化進(jìn)行響應(yīng)，而不關(guān)心自身的類型，設(shè)計(jì)接口。嘗試?yán)斫庀?，無(wú)法處理則進(jìn)行特殊處理。
在此不討論兩種方式的優(yōu)劣之分，而著重講講Smalltalk這種設(shè)計(jì)。
消息傳遞對(duì)于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)，其實(shí)在于給出一種對(duì)消息的解決方案。而面向?qū)ο髢?yōu)點(diǎn)之一的復(fù)用，在這種設(shè)計(jì)里，更多在于復(fù)用解決方案，而不是單純的類本身。這種思想就如設(shè)計(jì)組件一般，關(guān)心接口，關(guān)心組合而非類本身。其實(shí)之所以有MetaClass這種設(shè)計(jì)，我的理解并不是先有MetaClass，而是在萬(wàn)物都是對(duì)象的Smalltalk里，向?qū)ο蟀l(fā)送消息的基本解決方案是統(tǒng)一的，希望復(fù)用的。而實(shí)例和類之間用的這一套通過(guò)isa指針指向的Class單例中存儲(chǔ)方法列表和查詢方法的解決方案的流程，是應(yīng)該在類上復(fù)用的，而MetaClass就順理成章出現(xiàn)罷了。
最后
回到一開(kāi)始那個(gè)問(wèn)題，為什么要設(shè)計(jì)MetaClass，去掉把類方法放到類里面行不行？
我的理解是，可以，但不Smalltalk。這樣的設(shè)計(jì)是C++那種自上而下的設(shè)計(jì)方式，類方法也是類的一種特征描述。而Smalltalk的精髓正在于消息傳遞，復(fù)用消息傳遞才是根本目的，而MetaClass只不過(guò)是因此需要的一個(gè)工具罷了。
PS：筆者這個(gè)問(wèn)題從MetaClass入手去思考，是百思不得其解的。后來(lái)看了很多面向?qū)ο蟮臇|西，才發(fā)現(xiàn)這不過(guò)是一個(gè)產(chǎn)物，而并不是一個(gè)重點(diǎn)。
PSS：對(duì)于類的實(shí)現(xiàn)，Javascript中那種使用Protocol實(shí)現(xiàn)的方式也很有意思，受限于篇幅，暫不展開(kāi)
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