OC底層原理九：類的原理分析

OC底層原理 學習大綱

上一節我們了解了isa的內部結構，了解了結構和類的關系。

  • 現在，我們用代碼來探究下isa的指針指向與類的關系

1. 類與isa指針的關系

在objc4源碼中，加入測試代碼。在NSLog打印出加上斷點

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    @autoreleasepool {
        
        HTPerson * person = [[HTPerson alloc]init];
        
        NSLog(@"%@", person);
    }
    return 0;
}
  • 準備好isa位運算的MASK(遮罩)。
    image.png

p person打印，x/4gx打印，p/x&與上ISA_MASK、打印獲取到的isa中的shiftcls地址。成功找到HTPerson類

image.png

如果看不到，需要回看上一節。了解isa內部構造和獲取類地址的方法。

  • 我們猜想，既然拿到了HTPerson類的isa地址,那HTPerson類的isa指針指向哪里呢？
    image.png

我們發現，0x0000000100002630和0x0000000100002608都打印出來是HTPerosn的。2個地址不一樣為什么打印出來結果一樣？

  • 類地址不應該是唯一的嗎？

  • 這個問題我們保留。下面再一起回答。

  • 現在，我想繼續順著這根藤（isa指針方向），看可以摸到哪個類去。

NSObject

我們發現，一直順著摸，摸到NSObject后，內存地址不再發生變化。

為了解答上面2個不同地址都是打印了HTPerson的問題。我們需要先了解一個新東西： ??

2. 元類（Meta）

元類的定義和創建都由系統控制，由編譯器自動完成，不受我們管理

對象的isa來自于類，類也是對象。那類的isa指向哪里呢？

  • 答案： 元類 。類的歸屬來自于元類。

類既然是對象，就需要管理方法、屬性的存儲和歸屬。而這個管理者，就是元類（Meta）

上面2個不同地址都打印HTPerson的問題，實際上打印路徑是： HTPerosn -> HTPerson元類 -> NSObject

問題： 既然你說打印到了元類， 那HTPerson元類到NSObject之后，為什么就結束了？ 不應該再打印一次NSObject元類嗎？

  • 我們順著上面代碼。打印一次p/x [NSObject class]:
image.png

發現[NSObject class]打印的地址與之前打印的地址不一致！

  • 因為 [NSObject class]打印的是NSObject本類，而HTPerson元類的父類是NSObject元類。所以地址不一樣。
  • 我們驗證一下。
image.png

果然，NSObject的isa指針指向了NSObject元類。 地址和HTPerson元類的isa指針地址一致。

那么，類在內存中會存在多份（多地址）嗎？

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

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    @autoreleasepool {
        
        Class class1 = [HTPerson class];
        Class class2 = [HTPerson alloc].class;
        Class class3 = object_getClass([HTPerson alloc]);
        Class class4 = [HTPerson alloc].class;
        
        NSLog(@"%p", class1);
        NSLog(@"%p", class2);
        NSLog(@"%p", class3);
        NSLog(@"%p", class4);
        
    }
    return 0;
}
image.png

我們多種方式讀取類，通過打印可以發現，所有地址都一樣。

  • 類的信息在內存中永遠只存在一份
問題： 不直接繼承NSObject類，Isa是如何指向的呢？
@interface HTMan : HTPerson
@end

@implementation HTMan
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    @autoreleasepool {
        
        HTMan * man = [[HTMan alloc]init];
        
        NSLog(@"%p", man);
        
    }
    return 0;
}

代碼中HTMan繼承自HTPerson，而HTPerson繼承自NSObject

image.png

但是isa的指向，卻是HTMan->HTMan元類->NSObject元類

總結
  • 類的信息在內存中永遠只存在一份
  • 類的isa指針首先指向自己的元類，再直接指向NSObject元類
    (自己類->自己元類->NSObject元類)
  • NSObject元類的isa也指向NSObject元類
  • NSObject元類是所有元類的始祖。所以也叫根元類
isa指向

誤區：

  • 上述是isa的指針指向，并非類的繼承關系。
  • 類有繼承關系，實例對象無繼承關系。
  • NSObject沒有父類（父類為Null）。
    所以我們類的繼承，溯源只需要找到NSObject。
    OC語言中：NSObject是對象的始祖。萬物皆對象。
  • NSObject根元類的isa指針是直接指向NSObject根元類

3. OC對象的本質

首先了解2個結構體： objc_object (根對象)和 objc_class(根類)

我們打開objc4源碼，搜索struct objc_object

objc_object部分代碼

搜索struct objc_class ：

objc_class部分代碼

源碼搜索時，注意看結構體尾部的聲明。 UNAVAILABLE已廢棄的不要耗費精力了。

image.png

我們發現，objc_class繼承自objc_object。

  1. object_object擁有isa屬性，所以objc_class也擁有isa。

  2. 萬物皆對象(object)。

使用方法：
  • struct objc_object * Object 以objc_object為模板，定義一個對象
  • struct objc_class * Class 以objc_class為模板，定義一個類

3. 類的結構分析

老規矩，先從案例下手，看懂了再總結

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "HTPerson.h"

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    @autoreleasepool {
        
        HTPerson * person = [[HTPerson alloc]init];
        
        NSLog(@"%p", person);
        
    }
    return 0;
}
  • p/x打印HTPerson類地址。 -> x/4gx 打印內存信息
image.png

請問:

1. 為什么第一個地址是HTPeroson？第二個是NSObject？

  • objc_class第一個地址存放的是isa地址，第二個存放的是superclass類地址
    (參考上面objc_object部分代碼和objc_class部分代碼圖。)

2. 第二個地址打印的是NSObject類還是元類?

image.png

  • NSObject.class打印的地址與第二個地址打印的一致。 與接著打印的NSObject元類地址不一致。 說明第二個地址打印的是NSObjetc自身類。

3. 內存偏移

老規矩，先從案例開始，在main.m文件中加入測試代碼：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    @autoreleasepool {
        
        int f[4] = {10,20,30,40};

        NSLog(@"%p", &f);
        NSLog(@"%p", &f[0]);
        NSLog(@"%p", &f[1]);
        NSLog(@"%p", &f[2]);
        NSLog(@"%p", &f[3]);

    }
    return 0;
}

在打印的尾部加入斷點

image.png

我們發現：

    1. &f和&f[0]內存地址一樣。 證明對象的內存地址就是使用內部首元素的地址
    1. f是int類型的數組，內部元素每位占用4字節。 所以每個元素內存偏移值為4。

是不是瞬間有個小想法：

我們是否可以根據數據類型，確定內存占用空間的大小，通過內存值偏移，就可定位到下一元素的指針地址。然后直接取出這個指針地址指向的值。

小拓展： 如何通過地址取出對應的值：

  • 知識點： 指針(地址)的指針

  • 地址強轉為指定類型（int） -> 加*讀取對象(指針)的指針 -> 打印目標值

image.png

快速讀取： p *((int *)0x7ffeefbff5b0)

image.png

我們通過首地址偏移，果然：

image

完美??

但前提是我們必須知道偏移值是多少，也就是存儲的是什么類型。

  • 上面我們使用的是地址偏移，所以必須加入偏移值。
  • 我們也可以使用指針偏移。直接在屬性層在進行操作。
image.png

至此。我們已經掌握了地址偏移和指針偏移。

  • 只有知道屬性類型，占用空間大小，才能使用地址偏移和指針偏移，讀取類的所有信息。

現在，我們來分析類的結構

4. 分析類結構

在objc4源碼中，搜索objc_class。

  • 剔除不會占用類空間的const、void、static和函數。
struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;  。                          // 指針 - 占用8字節
    Class superclass;                          // 指針 - 占用8字節
    cache_t cache;                             //  ？
    class_data_bits_t bits;                  
};

如果我們要獲取bits的首地址位置。只有cache_t類型不知道空間大小。 點進去看看:

  • 剔除不會占用類空間的const、void、static和函數。
struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;
    explicit_atomic<mask_t> _mask;
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;
    
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;
#else
#error Unknown cache mask storage type.
#endif
    
#if __LP64__
    uint16_t _flags;
#endif
    uint16_t _occupied;

};
  • 我們進入explicit_atomic查看:
image.png
  • 發現返回的類型就是傳入的泛型T。 所以explicit_atomic的類型只跟他傳入的類型相關。
image.png
  • 我們進入bucket_t 結構體:
image.png

這里的_sel和_imp 是不是很眼熟。 ?? 后續我們會詳細介紹

進入uintptr_t：

image.png

  • 發現 uintptr_t實際就是unsigned long，64位操作操作系統下占用8個字節

所以我們_buckets實際大小就是8字節

接下來我們看mask_t。

image.png

  • 點進去


    image.png

發現它就是uint32_t類型。占用4字節

匯總一下：

image.png

  • 現在系統都是64位系統。

  • 所以cache_t內存大小為: 12 + 2 + 2 = 16 字節

回頭繼續分析object_class的內存大小

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;  。                          // 指針 - 占用8字節
    Class superclass;                          // 指針 - 占用8字節
    cache_t cache;                             //       占用16字節
    class_data_bits_t bits;                   
};

所以我們得出結論。

  • object_class內部的找到bits,需要偏移8 + 8 + 16 = 32位

現在，我們來讀取bits

5. 讀取bits

  • x/4gx HTPerson.class打印內存地址
  • p/x 0x0000000100002390 + 32 獲取bits地址
  • p (class_data_bits_t *)$12 強轉為class_data_bits_t類型
image.png

在objc_class結構中，我們發現bits.data()返回的是class_rw_t類型

image.png

我們打印bits->data()檢驗一下

image.png

成功拿到，打印HTPerson的class_rw_t信息：

image.png

  • 我們想要尋找這個類的方法和屬性，但是發現只有一個ro_or_rw_ext。

我們進入class_rw_t內部, 折疊所有函數。

Xcode折疊所有函數：command + shift + ←

image.png

6. 讀取methods、properties和protocols

main.m加入測試代碼:

@interface HTPerson : NSObject {
    NSString * hobby;
}

@property(nonatomic, copy) NSString * name;
@property(nonatomic, copy) NSString * nickname;

+(void) ClassFunction;

-(void) objectFunction;

@end

@implementation HTPerson

+(void) ClassFunction {
    NSLog(@"類方法");
}

-(void) objectFunction{
    NSLog(@"對象方法");
}

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    @autoreleasepool {
        
        HTPerson * person = [[HTPerson alloc]init];
        
        NSLog(@"%p", person);
    }
    return 0;
}

NSLog處加入斷點，運行代碼。快速找到data()對象的位置：

  • p/x HTPerson.class
  • -> p/x (class_data_bits_t *)(0x0000000100002258 + 32)
  • -> p $1->data()
image.png
methods

利用$2對象打印p $2->methods()：

image.png

我從圖中看到了list。繼續打印p *$3.list:

image.png

  • 看到count有6個值，我們使用get打印一下：
image.png
properties

利用$2對象打印p $2->properties()：

接下來打印p * properties()屬性方法。

image.png

protocols

利用$2對象打印p $2->protocols()：

image.png
成員變量hobby去哪了？
image.png

打印ro

image.png

打印p *$23.ivars

image.png

打印每一個成員變量p $25.get(0)

image.png
  • 我們發現，除了hobby變量。所有property屬性，都自動生成了帶下劃線的成員變量。
為什么案例中的ClassFunction類方法沒出現在Methods中？

對象的isa指向自己的類，所以對象方法存放到了HTPerosn中，難道類方法存放在它的isa上一級？HTPerson元類中？

實踐出真知：

  • p HTPerson.class -> x/4gx $0 -> p/x (class_data_bits_t *)(0x0000000100002230 + 32) -> p $1->data() -> p $2->methods() -> p $3.list -> p *$4 -> p $5.get(0)
    image.png

果然。 對象的方法存在類中，類的方法存在元類中

下一章

最后編輯于 ：
?著作權歸作者所有,轉載或內容合作請聯系作者
平臺聲明：文章內容（如有圖片或視頻亦包括在內）由作者上傳并發布，文章內容僅代表作者本人觀點，簡書系信息發布平臺，僅提供信息存儲服務。