Objective-C（八）对象的本质及分类

wenghengcong
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本文是Objective-C系列的第8篇，主要讲述OC对象的底层结构，以及分类：实例对象、类对象、元类对象。

在上一篇Objective-C（七）对象内存分析分析后，我们得知了一个类在内存中的存储。

但是，我们只分析了类的成员变量和属性，我们知道，一个OC对象，还包括方法、协议等极其重要的信息，那么它们在哪里，又是如何存储，如何用的呢？

本篇在此进一步分析Objective-C类体系的分类及其在内存中的完整分布。

为此，我们先要进行一些准备工作。

一、准备

1.1 对象的分类

Objective-C中的对象，简称OC对象，主要可以分为3种：

  • instance对象（实例对象）

  • class对象（类对象）

  • meta-class对象（元类对象）

我们针对OC中对象分为三种进行了测试，测试结果如下：

image-20181121182028637

从上图我们可以得到以下结论：

  • 实例对象可以有多个：每alloc一个对象，就会创建一个实例对象；
  • 类对象只能有一个：不同实例对象的类对象为同一个；
  • 元类对象只能有一个：不同实例对象（类对象）的元类对象只有一个；

那么测试代码中的几个方法，下面也简要说明下，部分截取源码项目-BFOCClass分类-01。

1.1.1 [NSObject class]

在NSObject.mm中：

+ (Class)class {
    return self;
}

返回类对象（元类对象）本身。

所以，[[[NSObject class] class] class] 无论调用多少次class，其返回都是NSObject class对象。

1.1.2 [person1 class]

返回实例对象的类对象

- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}

由（2）中可知，

  • [person1 class]：返回person1中isa指向的对象，就是BFPerson class对象；

1.1.3 objc_getClass

该方法与object_getClass从方法名看极其相似。

  • 参数：字符串类名；
  • 返回：对应的类对象。
Class objc_getClass(const char *aClassName)
{
    if (!aClassName) return Nil;
    // NO unconnected, YES class handler
    return look_up_class(aClassName, NO, YES);
}

1.1.4 object_getClass

Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

返回传入obj中isa所指向的对象，传入的obj可能是instance对象、class对象、meta-class对象

其返回值对应为：

a) 如果是instance对象，返回class对象

b) 如果是class对象，返回meta-class对象

c) 如果是meta-class对象，返回NSObject（基类）的meta-class对象

所以上面测试中：

  • object_getClass(person1)：返回即class对象；

  • object_getClass(personClass5)：返回即meta-class对象；

1.1.5 class_isMetaClass

返回是否为meta-class对象。

1.2 一些从源码来的结构体

我们会从源码摘抄一部分结构体，用来进行后面的论证。

1.2.1 NSObject

NSObject从源码中得到，其第一个成员变量为isa，该Class结构体第一个成员变量名称也是isa。

isa里则包含了（元）类信息的存放地址。

image-20181122114646926

1.2.2 class_rw_t

class_rw_t、class_ro_t均是存放类中信息的结构体，包括成员变量、属性列表、协议列表及方法列表，其具体如下：

image-20181122114716755

目前，我们class_ro_t当前类在编译期就已经确定的属性、方法以及遵循的协议。

class_rw_t则是在运行时，runtime重新加载布局的当前类的属性、方法和协议等。

1.2.3 method_t

  • method_t是 方法最底层的结构。
  • method_list_t
    • 方法列表，一维数组
    • 内部存放method_t
    • class_ro_t中的成员变量。
  • method_array_t
  • 同样是方法列表，但是是二维数组
  • 内部存放method_t
  • class_rw_t中的成员变量;

三者的关系如下图：

image-20181122114848636

与method类似，property、protocol的类似。

至于为什么会有一维和二维数组，后续文章会详述该问题。

1.2.4 property_t

property_array_t 与property_list_t的结构与上面的method中的数组类似，分别是二维、一维数组。

struct property_t {
    const char *name;  		 //属性名
    const char *attributes;  //字符串，表明了该属性的特性
};

假如属性名为name，类型为NSString，那么对应的attributes：T@"NSString",C,N,V_name

1.2.5 protocol_t

protocol_array_t、protocol_list_t分别是存放protocol_t的二维及一维数组。

类似的，我们关注protocol_t结构体：

struct protocol_t : objc_object {
    const char *mangledName;
    struct protocol_list_t *protocols;
    method_list_t *instanceMethods;
    method_list_t *classMethods;
    method_list_t *optionalInstanceMethods;
    method_list_t *optionalClassMethods;
    property_list_t *instanceProperties;
    uint32_t size;   // sizeof(protocol_t)
    uint32_t flags;
    // Fields below this point are not always present on disk.
    const char **_extendedMethodTypes;
    const char *_demangledName;
    property_list_t *_classProperties;
};

1.2.6 ivar_t

我们发现，针对成员变量，只有ivar_list_t，而没有ivar_array_t这样的结构。

从这里我们可以知道，就算是runtime，也无法在运行时往类中添加成员变量。

struct ivar_t {
    int32_t *offset;
    const char *name;
    const char *type;
    // alignment is sometimes -1; use alignment() instead
    uint32_t alignment_raw;
    uint32_t size;
};

1.3 NSObject实例对象的内存

我们已经对NSObject实例对象的内存结构相当熟悉了。我们再阐述以下观点：

  • NSObject实例对象内存中有且只有一个变量为isa，isa指向NSObject的class对象；

下面，我们针对编译期的isa，结合源码，我们得到如下：

image-20181122162823924

运行期的isa：

image-20181122162910315

二、对象的内存存储

上面，我们做了一些准备工作，了解了NSObject如何存储各种各样信息的结构体及存储在什么地方。

下面我们将会针对，三种类型做一个简单的描述。

2.1 instance对象

image-20181123041001470

其内存布局如下：

image-20181123041041229

instance对象在内存中存储的信息有：

  • isa指针
  • 其他成员变量

2.2 class对象

image-20181123063510205

class对象在内存中存储的信息主要包括

  • isa指针
  • superclass指针
  • 类的对象方法信息（instance method）
  • 类的属性信息（property）
  • 类的协议信息（protocol）
  • 类的成员变量信息（ivar）

2.3 meta-class对象

image-20181123071237895

meta-class对象和class对象的内存结构是一样的，但是用途不一样，在内存中存储的信息主要包括

  • isa指针
  • superclass指针
  • 类的类方法信息（class method）
  • 其他包括属性、协议、成员变量均为NULL

三、isa和superclass

isa在平时开发中很少使用，但是相信很多iOS开发者并不陌生。

在前面了解了NSObject、各种结构体及对象三大分类之后，苹果为我们提供了的Cocoa/Cocoa Touch中，类蔟体系的建立依赖两个指针：isa和superclass。那么又是如何串联的？

横向联系：isa的作用就是，将某一个类的instance对象、class对象、meta-class对象建立了横向联系，为查找对象存储各类信息提供指引。

纵向联系：superclass则是面向对象语言中最为重要的特性——继承的体现，它体现的是类与类之间的联系，即为类图中建立了纵向联系。

请注意区分：一个类各种对象之间的联系，以及不同类之间的联系！

3.1 isa

3.1.1 isa指针

image-20181123102401283

3.1.2 ISA_MASK

image-20181123102411439

我们为了验证该结论，在真机设备上，运行项目-BFOCClass分类-01，尝试获取了BFPerson对象，并打印类相关地址：

BFPerson instance - 0x12fd1f570 0x12fd366e0
BFPerson class - 0x100091e28 0x100091e28 0x100091e28 0x100091e28 0x100091e28 0
BFPerson meta class - 0x100091e00 1 0x100091e28 0
(lldb) x/2xw 0x12fd1f570
0x12fd1f570: 0x00091e2d 0x000001a1

从上面打印我们得知：

  • person1实例对象的地址为0x12fd1f570
  • person1对象地址起始的8个字节，就是isa，此处为：0x1a100091e2d
  • BFPerson class 地址为0x100091e28不等于0x1a100091e2d
  • 0x1a100091e2d(isa) & 0x0000000ffffffff8(ISA_MASK) = 0x100091e28

3.2 superclass

3.2.1 class对象

image-20181123100901305

3.2.2 meta-class对象

image-20181123102215644

3.3 类图体系

据此，isa和superclass联手织起的下面这张类图：

class-superclas

3.3.1 联系

  • isa指向

    • instance的isa指向class
    • class的isa指向meta-class
    • meta-class的isa指向基类的meta-class

  • superclass指向

    • class的superclass指向父类的class 如果没有父类，superclass指针为nil
    • meta-class的superclass指向父类的meta-class 基类的meta-class的superclass指向基类的class

3.3.2 方法调用

  1. instance调用对象方法的轨迹 isa找到class，方法不存在，就通过superclass找父类
  2. class调用类方法的轨迹 isa找meta-class，方法不存在，就通过superclass找父类

代码参考BFOCClass分类-01

继承关系：BFStudent->BFPerson->NSObject

3.3.2.1 情况1

BFStudent *stu = [[BFStudent alloc] init];
[stu test];

  • BFStudent实现-(void)test;，调用BFStudent的实现方法；

  • BFStudent未实现-(void)test;，若BFPerson实现，调用BFPerson实现；

  • BFStudent和BFPerson均未实现，NSObject若实现，调用NSObject实现；

    • 以上都未实现，代码是不能直接调用[stu test];，会编译报错，需要改调用方式：

      ((**void** (*)(**id**, **SEL**))objc_msgSend)(stu, **@selector**(test));
      • NSObject若实现+(void)test;，崩溃；
      • NSObject若实现-(void)test;，调用-(void)test;；

  • 继承体现中的类，均未实现，崩溃—— -[BFStudent test]: unrecognized selector sent to instance

3.3.2.2 情况2

[BFStudent test];

  • BFStudent实现+(void)test;，调用BFStudent的实现；

  • BFStudent未实现+(void)test;，若BFPerson实现，调用BFPerson实现；

  • BFStudent和BFPerson均未实现，调用NSObject实现；

    • 无法[BFStudent test];调用，调用方式需改为：

      Class stuClass = [BFStudent class];
((void (*)(id, SEL))objc_msgSend)(stuClass, @selector(test))
      • NSObject若实现+(void)test;，调用+(void)test;；
      • NSObject若实现-(void)test;，调用-(void)test;；
      • NSObject若实现+(void)test;和-(void)test;，调用+(void)test;；

  • 继承体现中的类，均未实现，崩溃—— +[BFStudent test]: unrecognized selector sent to instance

3.3.3 分析

针对情况1和2，大部分我们都能理解，但有一种情况。是有差别的。

在BFStudent和BFPerson中均未实现对应的对象方法（类方法）时，都会去NSObject中寻找。

  • 对象方法：NSObject寻找对应的对象方法，未找到对象方法，崩溃，参考下面的蓝色箭头。
  • 类方法：NSObject先寻找对应的类方法，未找到类方法，然后继续寻找对应的实例方法，若两者未找到，才会崩溃，见下面的黄色箭头。

image-20181210131420601

四、窥探对象完整的内部结构

到此，我们针对对象已经了解的差不多了，但是我们还是没有完整的看到运行时，对象的内部结构。

4.1 如何窥探

有两种方式：

  • 方式一：编译objc源码，直接通过objc4源码调试；
  • 方式二：抽象出[一些从源码来的结构体](#2. 一些从源码来的结构体)中提到的结构体，将正常对象转换为对应的结构体，进行调试；

我们采用方式二。

4.2 一探究竟

  1. 抽象出的结构体从这里下载。

  2. 导入后，将编译项目调整为命令行项目，并将main.m改为main.mm，以支持C++编译。

对应的项目源码。

4.2.1 类对象

image-20181123170300802

4.2.2 元类对象

image-20181123170320360

现在，你知道OC对象的本质了吗？它们的分类呢？

参考

链接

  1. objc4
  2. Runtime（一）Runtime 简介

示例代码

  1. 本文源码项目-BFOCClass分类-01
  2. 本文源码项目-BFOCClass分类-02
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