instance/class/metaclass類裡存了什麼？
阿新 • • 發佈：2020-06-24
前言
本文已加入專輯 徹底弄懂OC 。
概述
上一篇文章我們學習過物件本質之後，我們知道物件內部有一個isa指標，本文將描述物件的分類，學習完之後，需要我們回答以下幾個問題：
- OC中有幾種物件，它們分別是什麼？
- 物件的isa指標指向哪裡？
- OC的類資訊存放在哪裡？
- 物件方法的呼叫流程。
OC物件的分類
OC中有三種物件，我們將依次討論，它們分別是：
- instance 例項物件
- class 類物件
- metaclass 元類物件
instance
instance 是例項物件，通過alloc 出來的物件，每次呼叫alloc都會產生新的instance物件。
NSObject *obj1 = [[NSObject alloc] init];
NSObject *obj2 = [[NSObject alloc] init];
// obj1、obj2都是instance物件
複製程式碼 obj1、obj2是NSObject的instance物件，它們是不同的兩個物件，分別佔據著兩塊不同的記憶體空間。
instance 物件在記憶體中儲存的資訊有：
- isa指標，isa繼承自NSObject，isa始終會排在最前面。
- 其他成員變數
class
class是類物件，在內部中儲存的資訊包括：
- isa指標
- superClass指標
- 類的屬性資訊（@property）
- 類的物件方法資訊（instance method）
- 類的協議資訊（protocol）
- 類的成員變數資訊（ivar， 描述資訊）
- ...
NSObject *object1 = [[NSObject alloc] init];
NSObject *object2 = [[NSObject alloc] init];
Class objectClass1 = [object1 class];
Class objectClass2 = object_getClass(object1);
Class objectClass3 = [NSObject class];
Class objectClass4 = objc_getClass("NSObject" 通過 [object1 class]
NSObject class] 或者 object_getClass(object1) 三個方法獲取class物件。
meta-class
//獲取元類
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
複製程式碼meta-class物件內部中儲存的資訊包括：
- isa
- superclass
- 類方法資訊（class method）
- ...
class與meta-class的記憶體結構是一樣的，都是Class（struct objc_class結構體）
instance、class、meta-class結構
注意：
Class objectClass = [[NSObject class] class]; //返回的class物件，無論呼叫多少次class方法，返回的都是class物件。
object_getClass(obj1); //如果引數是instance物件，則返回class物件
//如果引數是class物件，則返回meta-class物件
//如果是meta-class物件，返回NSObject（基類）的meta-class物件
object_getClass([NSObject class]);
//檢視Class是否是meta-class
BOOL isMetaClass = class_isMetaClass([NSObject class]);
//返回引數對應的class物件。
Class class = objc_getClass("NSObject");
複製程式碼isa指標和superclass指標
瞭解了instance、class、metaclass的結構之後，我們看一下，isa指標和superclass指標。instance、class、metaclass內部都含有isa指標，而只有class、metaclass內部含有suerclass指標。
isa指標
- instance的isa指向class。
- class的isa指向metaclass。
- metaclass的isa指向基類的metaclass。
super指標
- class的superclass指向父類的class。
- 基類的superclass指向nil。
- metaclass的superclass指向父類的metaclass。
- 基類的metaclass的superclass指向基類的class。
下面我們建立兩個類Person 與 Student 其中，Student繼承自Person。
Person類
@interface Person : NSObject<NSCopying> {
@public
int _age;
}
@end
@implementation Person
- (void)personInstanceMethod {
}
+ (void)personClassMethod {
}
- (nonnull id)copyWithZone:(nullable NSZone *)zone {
return nil;
}
@end
複製程式碼Student類
@interface Student : Person<NSCoding>
@end
@implementation Student
- (void)studentInstanceMethod {
}
+ (void)studentClassMethod {
}
- (nullable instancetype)initWithCoder:(nonnull NSCoder *)coder {
return nil;
}
- (void)encodeWithCoder:(nonnull NSCoder *)coder {
}
- (nonnull id)copyWithZone:(nullable NSZone *)zone {
return nil;
}
@end
複製程式碼然後我們分析如下呼叫：
Student *student = [[Student alloc] init];
// 例項（instance）物件，呼叫類（class）方法。
// 先通過例項物件student的isa指標找到Student類物件
// 再在Student類物件內部找到studentInstanceMethod方法，並觸發呼叫
[student studentInstanceMethod];// -> objc_msgSend(student,studentClassMethod);
// 先通過例項物件student的isa指標找到Student類物件
// 再在Student類物件內部查詢personInstanceMethod，沒有找到。
// 通過Student類物件的superclass指標查詢到Person類物件，在其內部找到personInstanceMethod方法，並觸發呼叫
[student personInstanceMethod];// -> objc_msgSend(student,personInstanceMethod);
// 類（class）物件呼叫類方法。
//在Student類物件內部查詢studentClassMethod方法，找到並觸發呼叫
[Student studentClassMethod]; // -> objc_msgSend([Student class],studentClassMethod);
//在Student類物件內部查詢personClassMethod方法，沒有找到
//通過Student類物件的superclass指標，找到Person類物件，
//在其內部找到personClassMethod，並觸發呼叫。
[Student personClassMethod]; // -> objc_msgSend([Student class],personClassMethod);
複製程式碼通過分析，我們得出如下結論：
- instance呼叫物件方法的軌跡，通過instance的isa找到class物件，在class物件內部查詢方法，找不到就通過superclass指標找到其父類，然後繼續查詢方法。
- class呼叫類方法的軌跡，通過class的isa找到metaclass，在metaclass內部查詢方法，找不到就通過superclass指標到到其父類，然後繼續查詢方法。
通過上面的分析，我們畫出如下isa與superclass的指向圖，如下：
在上圖中，有一條特殊的線，基類的metaclass的superclass指標指向的不是nil，而是基類的class物件。我們證實一下。
我們給NSObject物件增加一個分類，在分類中增加一個例項方法，如下：
@interface NSObject (test)
- (void)test;
@end
@implementation NSObject (test)
- (void)test{
NSLog(@"-NSObject (test)");
}
@end
複製程式碼通過上面的學習，我們知道-test 是在NSObject的class物件內部實現的。
然後我們實現Person類，Person類只是基礎NSObject。
//
// main.m
// Class物件
//
// Created by MrLi on 2020/5/16
// Modified by MrLi
// Copyright © 2020 MrLi. All rights reserved.
//
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
#import "NSObject+test.h"
@interface Person : NSObject<NSCopying>
@end
@implementation Person
@end
int main(int argc,const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
[Person test];
}
return 0;
}
複製程式碼我們在main方法直接呼叫[Person test]。它的呼叫軌跡是：
- 通過Person類物件的isa找到Person的metaclass物件，在其內部查詢test方法，沒找到。
- 然後通過Person metaclass的superclass指標找到其父類NSObject metaclass，在其內部找到test方法，依然找不到。
- 這是如果NSObject的metaclass的superclass指向為nil，test的呼叫應該報錯。但卻呼叫到了NSObject的class物件內部的-test方法。可見基類的metaclass的superclass指向基礎的class物件。
如何通過isa找到class或者metaclass
理論上，instance的isa指標指向的內容應該是class的地址，class的isa指標指向的內容應該是metaclass的地址。但其實它是通過& ISA_MASK 計算出來的。
在不同的架構下 ISA_MASK 取值不同。如下
# if __arm64__
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
# define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
複製程式碼我們看如下程式碼：
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>
@interface Student : Person<NSCoding>
@end
@implementation Student
@end
struct myclass {
Class isa;
Class superclass;
};
int main(int argc,const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
Student *stu = [[Student alloc] init];
struct myclass *stuclass = (__bridge struct myclass*)([Student class]);
struct myclass *stumetaClass = (__bridge struct myclass*)object_getClass([Student class]);
NSLog(@"%p-%p-%p",stu,stuclass,stumetaClass);
NSLog(@"檢視記憶體"); //斷點
}
return 0;
}
複製程式碼2020-05-17 17:02:06.481250+0800 Class物件[2250:1165673] 0x1031ab810-0x1000023e8-0x1000023c0
(lldb) p/x stu->isa
(Class) $0 = 0x001d8001000023e9 Student
(lldb) p/x 0x001d8001000023e9 & 0x00007ffffffffff8
(long) $1 = 0x00000001000023e8
(lldb) p/x stuclass->isa
(Class) $2 = 0x00000001000023c0
(lldb) p/x 0x00000001000023c0 & 0x00007ffffffffff8
(long) $3 = 0x00000001000023c0
(lldb) p/x stuclass->superclass
(Class) $4 = 0x0000000100002398 Person
(lldb) p/x [Person class]
(Class) $6 = 0x0000000100002398 Person
通過分析日誌，我們得出結論：
- instance的isa & ISA_MASK 獲取到對應的class地址。
- class的isa & ISA_MASK 獲取到對應的metaclass的地址。
- class、metaclass的superclass地址就是其父類地址。
class、metaclass內部結構
// objc4-781
struct objc_object {
Class _Nonnull isa;
};
struct objc_class : objc_object {
Class superclass;
cache_t cache;
class_data_bits_t bits; // 使用者獲取類的具體資訊
}
struct class_rw_t {
uint32_t flags;
uint16_t witness;
explicit_atomic<uintptr_t> ro_or_rw_ext;
Class firstSubclass;
Class nextSiblingClass;
public:
// 獲取ro
const class_ro_t *ro() const {
auto v = get_ro_or_rwe();
if (slowpath(v.is<class_rw_ext_t *>())) {
return v.get<class_rw_ext_t *>()->ro;
}
return v.get<const class_ro_t *>();
}
void set_ro(const class_ro_t *ro) {
auto v = get_ro_or_rwe();
if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
v.get<class_rw_ext_t *>()->ro = ro;
} else {
set_ro_or_rwe(ro);
}
}
// 獲取methods
const method_array_t methods() const {
auto v = get_ro_or_rwe();
if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
return v.get<class_rw_ext_t *>()->methods;
} else {
return method_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseMethods()};
}
}
//獲取 properties
const property_array_t properties() const {
auto v = get_ro_or_rwe();
if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
return v.get<class_rw_ext_t *>()->properties;
} else {
return property_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseProperties};
}
}
//獲取 protocols
const protocol_array_t protocols() const {
auto v = get_ro_or_rwe();
if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
return v.get<class_rw_ext_t *>()->protocols;
} else {
return protocol_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseProtocols};
}
}
};
struct class_ro_t {
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize; //
#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; //成員變數列表
const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
};
複製程式碼總結
至此，本文到此結束，還記得開篇的4個問題嗎？想必你已經有了答案！
技術交流
