【iOS】类与对象底层探索

文章目录

前言
一、编译源码
二、探索对象本质
[三、objc_setProperty 源码探索](#三、objc_setProperty 源码探索)
[四、类 & 类结构分析](#四、类 & 类结构分析)
[五、著名的isa走位 & 继承关系图](#五、著名的isa走位 & 继承关系图)
[六、objc_class & objc_object](#六、objc_class & objc_object)
总结

前言

这篇文章主要探索OC对象的本质

首先我们需要明白我们平时编写的OC代码，底层实现都是C\C++代码

一、编译源码

首先通过终端利用clang将main.m编译为main.cpp

bash 复制代码

//1、将 main.m 编译成 main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

//2、将 ViewController.m 编译成  ViewController.cpp
clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot / /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.7.sdk ViewController.m

//以下两种方式是通过指定架构模式的命令行，使用xcode工具 xcrun
//3、模拟器文件编译
- xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 

//4、真机文件编译
- xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp

二、探索对象本质

我们打开编译好的源文件后找到LGPerson，发现其在底层被编译为struct结构体

bash 复制代码

//NSObject的定义
@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

//NSObject 的底层编译
struct NSObject_IMPL {
	Class isa;
};

//LGPerson的底层编译
struct LGPerson_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; // 等效于 Class isa;
	NSString *_name;
};

LGPerson_IMPL实现结构体中的第一个属性是isa，是继承自NSObject，是伪继承。意味着LGPerson拥有者NSObject中所有成员变量

LGPerson中的第一个属性 NSObject_IVARS 等效于 NSObject中的 isa

这里也许我们会产生一个疑问就是为什么isa的类型是class
根本原因是由于isa 对外反馈的是类信息

总结

因此我们可以得出：

OC对象本质就是结构体
LGPerson中的isa就是继承自NSObject中的isa

三、objc_setProperty 源码探索

除了LGPerson的底层定义，我们发现了属性name还有set与get方法，其中set方法依赖于runtime中的objc_setProperty

我们通过源码来查看一下objc_setProperty的底层实现

bash 复制代码

// 定义静态内联函数，用于设置对象的属性值。
static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy, bool mutableCopy)
{
    // 如果偏移量为0，直接将newValue设置为对象的类（可能用于特殊的目的，如改变对象的动态类型）
    if (offset == 0) {
        object_setClass(self, newValue);
        return;
    }

    // 定义用来保存旧值的变量
    id oldValue;
    // 计算属性值在内存中的实际位置
    id *slot = (id*) ((char*)self + offset);

    // 如果指定了copy标志，则对newValue执行不可变拷贝
    if (copy) {
        newValue = [newValue copyWithZone:nil];
    } 
    // 如果指定了mutableCopy标志，则对newValue执行可变拷贝
    else if (mutableCopy) {
        newValue = [newValue mutableCopyWithZone:nil];
    } 
    // 如果没有指定拷贝，检查newValue是否已经是当前值，如果是，则无需操作；否则，增加newValue的引用计数
    else {
        if (*slot == newValue) return;
        newValue = objc_retain(newValue);
    }

    // 如果不是原子操作，直接更新内存位置的值
    if (!atomic) {
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;
    } 
    // 如果是原子操作，使用锁来保证线程安全
    else {
        spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot]; // 获取与属性位置相关联的锁
        slotlock.lock();                            // 锁定
        oldValue = *slot;                          // 取出旧值
        *slot = newValue;                          // 设置新值
        slotlock.unlock();                         // 解锁
    }

    // 释放旧值的引用，以防内存泄漏
    objc_release(oldValue);
}

其方法原理就是retain新值->设置新值->释放旧值

四、类 & 类结构分析

本篇章的主要目的是分析类 & 类的结构，整篇都是围绕一个类展开的一些探索

isa指针是什么

OC是一门面向对象编程的语言，每个对象都是类的实例，同时也被称为实例对象，同时每个对象都有一个isa指针，指向对象所属的类

另外我们打开NSObject源码

bash 复制代码

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

由此可知类也是一个对象，简称为类对象

类的分析

首先我们定义两个类

继承自NSObject的类CJLPerson

bash 复制代码

@interface CJLPerson : NSObject
{
    NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *cjl_name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end

@implementation CJLPerson
- (void)sayHello
{}
+ (void)sayBye
{}
@end

继承自CJLPerson的类CJLTeacher

bash 复制代码

@interface CJLTeacher : CJLPerson
@end

@implementation CJLTeacher
@end

在main中分别用两个定义两个对象：person & teacher

bash 复制代码

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        //ISA_MASK  0x00007ffffffffff8ULL
        CJLPerson *person = [CJLPerson alloc];
        CJLTeacher *teacher = [CJLTeacher alloc];
        NSLog(@"Hello, World! %@ - %@",person,teacher);  
    }
    return 0;
}

元类

首先我们通过一张图片引入元类

根据调试过程，我们产生了一个疑问：为什么图中的p/x 0x001d8001000022dd & 0x00007ffffffffff8ULL 与 p/x 0x00000001000022b0 & 0x00007ffffffffff8ULL 中的类信息打印出来都是CJLPerson？

0x001d8001000022dd 是person对象的isa指针地址，其&后得到的结果是创建person的类CJLPerson
0x00000001000022b0是isa中获取的类信息所指的类的isa的指针地址，即 CJLPerson类的类的isa指针地址，在Apple中，我们简称CJLPerson类的类为元类
所以，两个打印都是CJLPerson的根本原因就是因为元类导致的

元类的说明

下面我们来解释一下什么是元类

首先我们知道对象的isa指向类，同时我们前文也说了类也是一个对象，那么类也有isa指针，类的isa指针指向的就是元类

元类是系统给的，当我们创建类时会自动创建元类，类的归属来自于元类

首先我们之前的博客有分析过元类【iOS】isKindOfClass & isMemberOfClass比较

我们这里引出一个问题，NSObject到底有几个？

从这张图中我们可以看出根元类NSObject只有一个，这个与我们日常开发的NSObject是同一个吗

我们通过代码来验证一下

可以看出打印出的地址为同一个，所以NSObject只有一个，即类对象与元类都只有一个，而实例对象可以有很多个

bash 复制代码

 NSObject *object1 = [[NSObject alloc] init];
 NSObject *object2 = [[NSObject alloc] init];
 // 打印两个实例的内存地址
 NSLog(@"object1: %p", object1);
 NSLog(@"object2: %p", object2);
 // 获取并打印NSObject的类对象
 Class objectClass1 = [object1 class];
 Class objectClass2 = [object2 class];
 NSLog(@"NSObject class: %p. %p", objectClass1, objectClass2);
 // 获取并打印NSObject的元类对象
 Class metaClass1 = object_getClass(objectClass1);
 Class metaClass2 = object_getClass(objectClass2);
 NSLog(@"NSObject meta-class: %p, %p", metaClass1, metaClass2);

[面试题]：类存在几份？

由于类的信息在内存中永远只存在一份，所以类对象只有一份

五、著名的isa走位 & 继承关系图

这里的知识之前已经说过了，这里不再赘述

六、objc_class & objc_object

isa的走位我们清楚了，现在我们来讨论一个新问题，为什么对象和类会有isa属性，这里就引出了objc_class & objc_object

首先我们通过之前的源码知道：
NSObject的底层编译是NSObject_IMPL结构体

首先我们知道Class是isa指针的类型，是由objc_class定义的类型
objc_class实际上就是Class

在iOS中所有的Class都是以objc_class为模版创建的

我们查看一下objc_class的源码

我们可以看到objc_class结构体是继承自objc_object

再搜寻objc_object的定义

【问题】objc_class 与 objc_object 有什么关系？

通过查看源码我们可以得出几点说明：

objc_class继承自objc_object类型，其中objc_object也是一个结构体，且有一个isa类型
在cpp底层编译中，isa的类型是Class，class的底层编码来自objc_class,因此NSObject也有了isa属性
objc_object(结构体)是当前的根对象，所有的对象都有一个特性objc_object，即拥有isa属性

objc_object 与对象的关系

是一个继承关系，所有对象都是由objc_object继承过来的
所有的对象都是来自NSObject，但最后到底层都是一个objc_object（C/C++）结构体类型

总结：

所有对象+类+元类 都有isa属性

所有对象都是由objc_object继承来的

objc_class结构

首先我们在源码中找到其结构

bash 复制代码

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：主要指向类对象或是元类对象
superclass：指向当前类的父类
cache：方法缓存，提高调用方法的性能
bits：封装了类的其他信息，例如成员变量，方法列表，协议，属性

元类对象结构也是这样，只不过元类对象里面存放的是类方法

superClass

这里需要注意superclass是objc_class特有的，实例对象是没有的

bits

类结构中还有一个bits

我们通过源码查看一下其数据结构class_data_bits_t

bash 复制代码

struct class_data_bits_t {
    friend objc_class;
    // Values are the FAST_ flags above.
    uintptr_t bits;
    public:
    class_rw_t* data() const {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
    // Get the class's ro data, even in the presence of concurrent realization.
    // fixme this isn't really safe without a compiler barrier at least
    // and probably a memory barrier when realizeClass changes the data field
    const class_ro_t *safe_ro() const {
        class_rw_t *maybe_rw = data();
        if (maybe_rw->flags & RW_REALIZED) {
            // maybe_rw is rw
            return maybe_rw->ro();
        } else {
            // maybe_rw is actually ro
            return (class_ro_t *)maybe_rw;
        }
    }
}

其中最重要的两个方法就是data 和 safe_ro,两个方法分别返回class_rw_t 和class_ro_t

class_rw_t

首先可以看到三个方法，可以分别获取到类的方法，属性，协议

class_ro_t

可以看到有方法、属性、协议和成员变量。但方法、属性、协议的命名都是base开通的

ro与rw的区别

ro是编译阶段生成，rw是运行阶段生成，从存储的角度来说，ro中有方法，属性，协议与成员变量，而rw中没有成员变量，rw中的取值方法也是通过取ro或是rwe的值来获得的

class_rw_ext_t

在2020WWDC中有个视频对ro与rw进行了解释，由于rw是一块脏内存，但是rw总有许多用不到的数据，我们将rw中那些一般用不到的数据分离出来变为干净的内存，也就是rw_ext_t，这样就减轻了rw对内存的占用

rw_ext_t生成条件：

使用分类的类
使用Runtime API动态修改类的结构的时候

这两种情况时，由于类的结构发生改变，但是ro是只读的，因此需要重新生成可读可写的内存结构rw_ext（Dirty Memory, 比较贵）,来存放新的类结构。

由此再次读取方法，属性，列表时如果有rw_ext，就会先从rw_ext中读取，如果没有再去读取ro

参考博客：
iOS八股文（四）类对象的结构（下）

思考：为什么类方法存储在元类中，而不把类方法存储在类对象中？或者说设置元类的目的是什么？

单一职责设计原理 ：一个对象或是一个类只应该有一个职责，类对象负责实例对象的行为，例如实例方法，协议，成员变量，属性等，元类对象负责类对象的行为，负责存放类方法，各司其职互不影响
符合消息转发机制
继承模型的一致性 ：在Objective-C中，类方法的继承与实例方法的继承遵循相同的模式。如果没有元类，类方法的继承将需要另外一套机制来处理。

cache_t结构

cache的作用是在objc_msgSend过程中会先在cache中根据方法名来hash查找方法实现，如果能查找到就直接掉用。如果查找不到然后再去rw_t中查找。然后再在cache中缓存。

总结

通过这篇文章我们得知

所有对象都有isa属性
所有对象都是由objc_object继承而来的
objc_class中存放着对象的各种信息，实例对象则存放成员变量，类对象则存放实例方法与属性等，元类对象则存放类方法，符合单一职责原则
isa 指针指向对象所属的类
可以从bits中的rw中查找方法属性，但不能查找到成员变量，成员变量存储在ro中，这也是为什么分类不能添加成员变量的原因