OC底层原理：三、isa指针和superclass

一、isa指针

1.1 instance的isa指向class

当调用对象方法时，通过instance的isa找到class，最后找到对象方法的实现进行调用。

1.2 class的isa指向meta-class

当调用类方法时，通过class的isa找到meta-class，最后找到类方法的实现进行调用。

#import <Foundation/Foundation.h>

#import <objc/runtime.h>

@interface ZGPerson : NSObject<NSCopying>
{
    @public
    int _age;
}
@property (nonatomic, assign) int no;
- (void)personInstanceMethod;
+ (void)personClassMethod;

@end

@implementation ZGPerson

- (void)personInstanceMethod {
    
}

+ (void)personClassMethod {
    
}

- (id)copyWithZone:(NSZone *)zone {
    return  nil;
}

@end

@interface ZGStudent : ZGPerson<NSCoding>
{
    @public
    int _weight;
}
@property (nonatomic, assign) int height;
- (void)studentInstanceMethod;
+ (void)studentClassMethod;

@end

@implementation ZGStudent

- (void)studentInstanceMethod {
    
}

+ (void)studentClassMethod {
    
}

- (instancetype)initWithCoder:(NSCoder *)coder {
    return nil;
}

- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)coder {
    
}

@end

二、class对象的superclass指针

2.1 ZGStudent的instance对象调用ZGStudent的class中的对象方法流程

通过 ZGStudent 的 instance对象(stu)，找到 instance对象(stu)的isa
根据isa找到stu的类对象ZGStudent的class
在ZGStudent的class 中找到 对象方法(studentInstanceMethod)的实现进行调用。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        ZGStudent *stu = [[ZGStudent alloc]init];
        [stu studentInstanceMethod];
    }
    return 0;
}

2.2 ZGStudent的instance对象调用ZGPerson的class中的对象方法流程

通过 ZGStudent 的 instance对象(stu)，找到 instance对象(stu)的isa
根据isa找到stu的类对象ZGStudent的class
通过superclass找到ZGPerson的class
在ZGPerson的class 中找到 对象方法(personInstanceMethod)的实现进行调用。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        ZGStudent *stu = [[ZGStudent alloc]init];
        [stu personInstanceMethod];
    }
    return 0;
}

2.3 ZGStudent的instance对象调用NSObject的class中的对象方法流程

通过 ZGStudent 的 instance对象(stu)，找到 instance对象(stu)的isa
根据isa找到stu的类对象ZGStudent的class
通过superclass找到ZGPerson的class
通过superclass找到NSObject的class
在NSObject的class 中找到 对象方法(init)的实现进行调用。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        ZGStudent *stu = [[ZGStudent alloc]init];
        [stu init];
    }
    return 0;
}

三、meta-class对象的superclass指针

3.1 ZGStudent类调用ZGStudent的meta-class中的类方法流程

通过ZGStudent类，找到ZGStudent类的isa
根据isa找到ZGStudent的meta-class
在ZGStudent的meta-class 中找到 类方法(studentClassMethod)的实现进行调用。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        [ZGStudent studentClassMethod];
    }
    return 0;
}

3.2 ZGStudent类调用ZGPerson的meta-class中的类方法流程

通过ZGStudent类，找到ZGStudent类的isa
根据isa找到ZGStudent的meta-class
通过superclass找到ZGPerson的meta-class
在ZGPerson的meta-class 中找到 类方法(personClassMethod)的实现进行调用。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        [ZGStudent personClassMethod];
    }
    return 0;
}

3.2 ZGStudent类调用NSObject的meta-class中的类方法流程

通过ZGStudent类，找到ZGStudent类的isa
根据isa找到ZGStudent的meta-class
通过superclass找到ZGPerson的meta-class
通过superclass找到NSObject的meta-class
在NSObject的meta-class 中找到 类方法(load)的实现进行调用。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        [ZGStudent load];
    }
    return 0;
}

四、isa、superclass总结

4.1 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 4.2 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 4.3 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 4.4 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

五、isa指针新变化

从64bit开始，isa需要进行一次位运算，才能计算出真实地址。

六、类调用类方法的调用实现流程

方法调用的实质是给方法调用者发送消息，对象是方法调用者，方法名是消息名称。

如[ZGPerson test]的实质就是给ZGPerson类发送一条 test消息(objc_msgSend)。下面是通过不同途径ZGPerson类调用类方法+ (void)test的实现和调用流程。

6.1 ZGPerson类类和NSObject类分别调用自己的类方法

#import <Foundation/Foundation.h>

NS_ASSUME_NONNULL_BEGIN

@interface NSObject (Test)

+ (void)test;

@end

NS_ASSUME_NONNULL_END

#import "NSObject+Test.h"

@implementation NSObject (Test)

+ (void)test {
    NSLog(@"+[NSObject test] - %p",self);
}

@end

#import <Foundation/Foundation.h>

#import <objc/runtime.h>
#import "NSObject+Test.h"

@interface ZGPerson : NSObject

+ (void)test;

@end

@implementation ZGPerson

+ (void)test {
    NSLog(@"+[ZGPerson test] - %p",self);
}

@end


int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"ZGPerson.class---%p", ZGPerson.class);
        NSLog(@"NSObject.class---%p", NSObject.class);
        [ZGPerson test];
        [NSObject test];
    }
    return 0;
}

调用流程：

通过ZGPerson类的isa找到ZGPerson的meta-class
到ZGPerson的meta-class中查找对应的类方法+ (void)test，找到后调用。

6.2 去掉ZGPerson类的类方法+(void)test实现

//+ (void)test {
//    NSLog(@"+[ZGPerson test] - %p",self);
//}

调用流程：

通过ZGPerson类的isa找到ZGPerson的meta-class
ZGPerson的meta-class中没有类方法+ (void)test，通过ZGPerson的meta-class的superclass到它的父类NSObject的meta-class中查找类方法+ (void)test，找到后调用。

6.3 去掉NSObject+Test类的类方法+(void)test实现，改为对象方法- (void)test

#import "NSObject+Test.h"

@implementation NSObject (Test)

//+ (void)test {
//    NSLog(@"+[NSObject test] - %p",self);
//}

- (void)test {
    NSLog(@"- [NSObject test] - %p",self);
}

@end

调用流程：

通过ZGPerson类的isa到ZGPerson的meta-class中查找对应的类方法+ (void)test
ZGPerson的meta-class中没有类方法+ (void)test，通过ZGPerson的meta-class的superclass到它的父类NSObject的meta-class中查找类方法+ (void)test
NSObject的meta-class中没有类方法+ (void)test，通过NSObject的meta-class的isa，到NSObject的class中查找- (void)test方法，有该方法的实现，调用成功。

七、isa指向的验证

前文我们提到，通过isa对实例对象和类对象建立联系。可以简单认为，通过实例对象的isa找到类对象class，类对象class的isa找到元类对象meta-class。

#import <Foundation/Foundation.h>

#import <objc/runtime.h>

@interface ZGPerson : NSObject<NSCopying>
{
    @public
    int _age;
}
@property (nonatomic, assign) int no;
- (void)personInstanceMethod;
+ (void)personClassMethod;

@end

@implementation ZGPerson

- (void)personInstanceMethod {
    
}

+ (void)personClassMethod {
    
}

- (id)copyWithZone:(NSZone *)zone {
    return  nil;
}

@end

@interface ZGStudent : ZGPerson<NSCoding>
{
    @public
    int _weight;
}
@property (nonatomic, assign) int height;
- (void)studentInstanceMethod;
+ (void)studentClassMethod;

@end

@implementation ZGStudent

- (void)studentInstanceMethod {
    
}

+ (void)studentClassMethod {
    
}

- (instancetype)initWithCoder:(NSCoder *)coder {
    return nil;
}

- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)coder {
    
}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        ZGPerson *person = [ZGPerson new];
        Class personClass = ZGPerson.class;
        Class personMetaClass = object_getClass(personClass);
        NSLog(@"\n person:%p\n personClass:%p\n personMetaClass:%p\n",person,personClass,personMetaClass);
    }
    return 0;
}

前文我们说过，实例对象的isa指向类对象，按理来说，person的isa的地址应该和person.class类对象地址是一致的，但我们发现这里的内存地址并不一样。

其实在arm64架构之前，isa就是一个普通的指针，存储着Class、MetaClass对象的内存地址。从arm64架构开始，对isa进行了优化，变成了一个共用体(union)结构，还使用位域来存储更多信息。

从64bit开始，isa需要进行一次位运算，才能计算出真实地址。

因为当前项目是Mac项目，我们调用_ _X86_64_ _架构的ISA_MASK，对应的值是0x00007ffffffffff8ULL。

isa & ISA_MASK 就和我们的类对象的地址对应上了。

Instance实例对象的isa & ISA_MASK地址 = class类对象地址

接下来，同样的步骤，我们来获取下元类对象的地址。

通过前文查看源码，我们了解到，我们的class内部其实是typedef* struct objc_class *Class结构，是一个结构体。那么我们写一个内部结构一模一样的结构体，指向当前的元类对象，那么我们是不是就能拿到元类对象的isa呢？

经过简化，我们得到一个这样的结构体，代码如下：

struct zg_objc_class {
    Class isa;
    Class superclass;
};

class类对象的isa & ISA_MASK地址 = meta-class元类对象地址

八、objc4源码下载

下载地址：opensource.apple.com/tarballs/ob…

class、meta-class对象的本质结构都是struct objc_class。

九、窥探struct objc_class的结构

objc_class:

objc_object:

isa_t:

class_rw_t:

class_ro_t:

最终我们得到了objc_class的内部结构，如下图：

下面我们来验证一下这个结构能否拿取到对应的数据，拿到对应的数据，说明我们这个结构是正确的。首先引入文件MJClassInfo.h，

//
//  MJClassInfo.h
//  TestClass
//
//  Created by MJ Lee on 2018/3/8.
//  Copyright © 2018年 MJ Lee. All rights reserved.
//

#import <Foundation/Foundation.h>

#ifndef MJClassInfo_h
#define MJClassInfo_h

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
# endif

#if __LP64__
typedef uint32_t mask_t;
#else
typedef uint16_t mask_t;
#endif
typedef uintptr_t cache_key_t;

struct bucket_t {
    cache_key_t _key;
    IMP _imp;
};

struct cache_t {
    bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;
};

struct entsize_list_tt {
    uint32_t entsizeAndFlags;
    uint32_t count;
};

struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;
};

struct method_list_t : entsize_list_tt {
    method_t first;
};

struct ivar_t {
    int32_t *offset;
    const char *name;
    const char *type;
    uint32_t alignment_raw;
    uint32_t size;
};

struct ivar_list_t : entsize_list_tt {
    ivar_t first;
};

struct property_t {
    const char *name;
    const char *attributes;
};

struct property_list_t : entsize_list_tt {
    property_t first;
};

struct chained_property_list {
    chained_property_list *next;
    uint32_t count;
    property_t list[0];
};

typedef uintptr_t protocol_ref_t;
struct protocol_list_t {
    uintptr_t count;
    protocol_ref_t list[0];
};

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;  // instance对象占用的内存空间
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif
    const uint8_t * ivarLayout;
    const char * name;  // 类名
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;  // 成员变量列表
    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;
};

struct class_rw_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t version;
    const class_ro_t *ro;
    method_list_t * methods;    // 方法列表
    property_list_t *properties;    // 属性列表
    const protocol_list_t * protocols;  // 协议列表
    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;
    char *demangledName;
};

#define FAST_DATA_MASK          0x00007ffffffffff8UL
struct class_data_bits_t {
    uintptr_t bits;
public:
    class_rw_t* data() {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
};

/* OC对象 */
struct mj_objc_object {
    void *isa;
};

/* 类对象 */
struct mj_objc_class : mj_objc_object {
    Class superclass;
    cache_t cache;
    class_data_bits_t bits;
public:
    class_rw_t* data() {
        return bits.data();
    }
    
    mj_objc_class* metaClass() {
        return (mj_objc_class *)((long long)isa & ISA_MASK);
    }
};

#endif /* MJClassInfo_h */

因为MJClassInfo.h文件是C++编写的，所以在这里需要修改一下main.m为main.mm，避免编译报错。

#import <Foundation/Foundation.h>

#import <objc/runtime.h>
#import "MJClassInfo.h"

@interface ZGPerson : NSObject<NSCopying>
{
    @public
    int _age;
    int _name;
}
@property (nonatomic, assign) int no;
- (void)personInstanceMethod;
+ (void)personClassMethod;

@end

@implementation ZGPerson

- (void)personInstanceMethod {
    
}

+ (void)personClassMethod {
    
}

- (id)copyWithZone:(NSZone *)zone {
    return  nil;
}

@end

@interface ZGStudent : ZGPerson<NSCoding>
{
    @public
    int _weight;
}
@property (nonatomic, assign) int height;
- (void)studentInstanceMethod;
+ (void)studentClassMethod;

@end

@implementation ZGStudent

- (void)studentInstanceMethod {
    
}

+ (void)studentClassMethod {
    
}

- (instancetype)initWithCoder:(NSCoder *)coder {
    return nil;
}

- (void)encodeWithCoder:(NSCoder *)coder {
    
}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        struct mj_objc_class *studentClass = (__bridge struct mj_objc_class *)(ZGStudent.class);
        struct mj_objc_class *personClass = (__bridge struct mj_objc_class *)(ZGPerson.class);
        class_rw_t *studentClassData = studentClass->data();
        class_rw_t *personClassData = personClass->data();
        NSLog(@"theEnd");
       
    }
    return 0;
}

获取结果：

studentClass结构:

personClass结构:

studentClassData结构:

personClassData结构: