參考文章

清晰理解Objective-C元類
 object_getClass(obj)與[obj class]的區別-源代碼解析
 刨根問底Objective－C Runtime

元類

這幾天看了一些runtime底層的一些介紹，感受最深的就是對元類的講解了。突然有種恍然大悟的感覺，以前我們經常說一切皆對象，在這里體現出來了。

1. 元類是什么

眾所周知Objective-C（以下簡稱OC）中的消息機制，消息的接收者可以是一個對象，也可以是一個類。那么這兩種情況統一為一種情況不是更方便嗎？蘋果當然早就想到了，這也正是元類的用處。蘋果統一把消息接收者作為對象。等等，這也是說類也是對象？yes，就是這樣。就是說，OC中所有的類都是一種對象。由一個類實例化來的對象叫實例對象，這好理解，那么類作為對象（稱之為類對象），又是什么類的對象呢？當然也容易猜到，就是元類（MetaClass）。現在到給元類下定義的時候了：元類就是類對象所屬的類。所以，實例是類的實例，類作為對象又是元類的實例。已經說了，OC中所有的類都是一種對象，所以元類也是對象，那么元類是什么的實例呢？答曰：根元類，同時根元類是其自身的實例。

上面講到了實例對象、類對象、元類對象，有什么區別？
實例對象：當我們在代碼中new一個實例對象時，拷貝了實例所屬的類的成員變量，但不拷貝類定義的方法，調用實例方法時，調用實例的isa指針去尋找方法對應的函數指針。
類對象：是一個功能完整的對象，特殊之處在于它們是由程序員定義而在運行時由編譯器創建的，它沒有自己的實例變量（這里區別于類的成員變量，它們是屬于實例對象的，而不是屬于類對象的，類方法是屬于類對象自己的），但類對象中存著成員變量和實例方法列表。
元類對象：OC的類方法是使用元類的根本原因，因為其中存儲著對應的類對象調用的方法即類方法。其他時候都傾向于隱藏元類，因此真實世界沒有人發送消息給元類對象。元類的定義和創建看起來都是編譯器自動完成的，無須人為干涉。要獲取一個類的元類，可使用如下定義的函數：

Class objc_getMetaClass(const char *name); // name為類的名字

此外還有一個獲取對象所屬的類的函數：

Class object_getClass(id obj);

由于類對象是元類的實例，所以當傳入的參數為類名時，返回的就是指向該類所屬元類的指針。

2. 元類的構建機制

既然所有的類都是對象，那么元類又是什么類的對象？這樣下去，不是子子孫孫無窮盡也？當然不行，OC作為一門編程語言，當然要滿足完備性----既定的各條規則都要滿足，不能相互矛盾，也不能存在漏洞。
OC作為運行時語言，上面提到的類與元類在運行時都是objc_class類型。在Objective-C2.0中，objc_class的定義如下：

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

其中，Class定義如下：

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

可以看出，OC中每個類都包含一個isa變量，顯然這里的isa是指向另一個類的指針，說白了就是表面這個類是哪個類的實例，以便找到代碼中調用的本類或父類的類方法。對于NSObject及其子類，指向的就是它的元類，正如實例中也有個isa指針指向其所屬的類一樣。而對于元類，每個元類的isa指針都指向根元類。那么根元類的isa指向哪里？---它自己。這樣就構成了一個封閉的循環，實現了無懈可擊的OC類系統。這種關系在下面的圖中有清晰的體現。

除了isa聲明了實例與所屬類的關系，還有super_class聲明了類、元類的繼承關系。每個類對象都有對應的元類，每個類（根類除外）都有一個superclass，同樣每個元類也有一個superclass，并且子類與子元類、父類與父元類分別在同一個層次。這種關系借用網上的一張圖來說明，一目了然。

注意：根元類的superclass不是nil而是根類。對于OC原生的類，根元類的父類就是系統的根類NSObject。但根類不一定是NSObject，因為后面介紹的objc_allocateClassPair函數也可以創建出一個根類。

3. 元類的構建機制

上面講到了OC運行時類的定義，這里可以看看對象的定義，重點關注objc_object 和 id。

#if !OBJC_TYPES_DEFINED
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
#endif

/// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;

/// A pointer to the function of a method implementation. 
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...); 
#endif

這說明OC中每個對象也都包含一個isa變量，這里的isa，指向實例對象所屬的類。在運行時，[obj aMessage];被轉化為objc_msgSend(obj, @selector(aMessage));，這里，@selector(aMessage)返回一個SEL數據類型，即方法選擇器。SEL主要作用是快速的通過方法名字(aMessage)查找到對應方法的函數指針，然后調用其函數。SEL其本身是一個int型的地址，地址中存放著方法的名字。在一個類中，每一個方法對應著一個SEL。iOS類中不能存在兩個名稱相同的方法，即使參數類型不同，因為SEL是根據方法名生成，相同的方法名稱只能對應一個SEL。

當一個消息發送給任何一個對象，方法的檢查器從對象的isa指針開始，然后是父類。具體地，在objc_msgSend函數中，首先通過obj的isa指針找到obj對應的class。在class中，有一塊最近調用的方法的指針緩存，所以先去cache通過selector查找對應的method，若cache中未找到，再去method list中查找，若method list中未找到，則去superClass中查找。若能找到，則將method加入到cache中，以方便下次查找，并通過method中的函數指針跳轉到對應的函數中去執行。對最后一句不了解的話，請看objc_method定義：

struct objc_method { 
??SEL method_name; // 方法名稱 
??const char *method_typesE; // 參數和返回類型的描述字串 
??IMP method_imp; // 方法的具體的實現的指針 
}

由上看出，OC中實例方法是通過isa找到object所屬的class，再在class中找到要調用的method。此可得出結論：class即類對象中存儲著實例方法。實際上，類對象中存儲著類定義的一切：成員變量、屬性列表、遵守的協議等，但不包括類方法。類方法的定義在哪？就是在元類里面。此外元類中還存在著類的信息（類的版本，名字），比如發送一個類消息[class aMessage];，class中的isa就指向class的元類，在元類中搜索調用的類方法，搜索層次類似于實例方法的搜索。

4. 元類的應用

類對象和元類對象的相關方法：

object_getClass跟隨實例的isa指針，返回此實例所屬的類，對于實例對象（instance）返回的是類（class），對于類（class）則返回的是元類（metaclass）；
-class方法對于實例對象（instance）會返回類（class），但對于類（class）則不會返回元類（metaclass），而只會返回類本身，即[@"instance" class]返回的是__NSCFConstantString，而[NSString class]返回的是NSString。
class_isMetaClass可判斷某類是否為元類。
使用objc_allocateClassPair可在運行時創建新的類與元類對，使用class_addMethod和class_addIvar可向類中增加方法和實例變量，最后使用objc_registerClassPair注冊后，就可以使用此類了。這體現了OC作為運行時語言的強大之一：在代碼中動態創建類并添加方法。

Class newClass = objc_allocateClassPair([NSError class], "RuntimeErrorSubclass", 0);
class_addMethod(newClass, @selector(addedMethod), (IMP)added_method_implementation, "v@:");
void added_method_implementation(id self, SEL __cmd)
{
    // do something
}

說明：objc_allocateClassPair函數的作用是創建一個新類newClass及其元類，三個參數依次為newClass的父類，newClass的名稱，第三個參數通常為0。然后可向newClass中添加變量及方法，注意若要添加類方法，需用objc_getClass(newClass)獲取元類，然后向元類中添加類方法。接下來必須把newClass注冊到運行時系統，否則系統不能識別這個類。

根據以上理解比較一下object_getClass(obj)和[obj class]的區別
其實很簡單，直接看源代碼吧。
object_getClass(obj)的代碼實現：

Class object_getClass(id obj)
{
    return _object_getClass(obj);
}

其中_object_getClass(obj)是一個靜態內聯函數，代碼實現如下：

static inline Class _object_getClass(id obj)
{
    #if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
    if （OBJ_IS_TAGGED_PTR(obj)）{
        uint8_t slotNumber = ((uint8_t)(uint64_t) obj) & 0x0F;
        Class isa = _objc_tagged_isa_table[slotNumber];
        return isa;
    }
    #endif
        if (obj) return obj->isa;
        else return Nil;
}

簡單的說_object_getClass函數就是返回對象的isa指針。
[obj class]的代碼實現分為兩種情況，分別是obj為實例對象和類對象，代碼如下所示：

// 類方法直接返回自身指針
+ (Class)class
{
   return self;
 }
// 實例方法調用object_getClass，返回isa指針
- (Class)class 
{
    return object_getClass(self);
}

通過以上代碼可以看出，調用[obj class]，不管obj對實例對象還是類對象，結果都是一樣的。

看下這幾個個面試題吧

第一題解析如下：
在調用[self class]時，會轉化為objc_msgSend函數。函數定義如下：

id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)

我們把self做為第一個參數傳遞進去。而在調用[super class]時，會轉化為objc_msgSendSuper函數?？聪潞瘮刀x：

id objc_msgSendSuper(struct objc_super *super, SEL op, ...)

第一個參數是objc_super這樣一個結構體，其定義如下：

struct objc_super {
    __unsafe_unretained id receiver;
    __unsafe_unretained Class super_class;  
};

結構體有兩個成員，第一個成員是receiver，類似于上面的objc_msgSend函數第一個參數self。第二個成員是記錄當前類的父類是什么。
所以當調用[self class]時，實際先調用的是objc_msgSend函數，第一個參數是Son當前的這個實例，然后在Son這個類里面去找-(Class)class這個方法，沒有就去父類Father里找，也沒有，最后在NSObject類中發現這個方法。而-(Class)class的實現就是返回self的類別，故上述輸出結果為Son。
objc Runtime開源代碼對- (Class)class方法的實現：

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

而當調用[super class]時，會轉換為objc_msgSendSuper函數。第一步先構造objc_super結構體，結構體第一個成員就是self，第二個成員是(id)class_getSuperclass(objc_getClass("son"))，實際該函數輸出結果為Father。第二部是去Father這個類里去找- (Class)class，沒有，然后去NSObject類去找。找到了，最后內部是使用objc_msgSend(objc_super->receiver， @selector(class))去調用，此時已經和[self class]調用相同，故上述輸出結果仍然返回Son。
第二題解析如下：
運行結果是
2014-11-05 14:45:08.474 Test[9412:721945] 1 0 0 0
對于
BOOL res1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject calss]];
首先還是看看isKindOfClass的實現：

- (BOOL)isKindOfClass: aClass
{
    Class cls;
    for (cls = isa; cls; cls = cls->superclass) 
        if (cls == (Class)aClass)
            return YES;
    return NO;
}

當[NSObject class]對象第一次進行比較的時候，得到它的isa為NSObject的Meta Class，這個時候NSObject Meta Class 和 NSObject Class不相等。然后取出NSObject的Meta Class的Super class，這個時候又變成了NSObject Class，所以相等。
對于
BOOL res2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject calss]];
先看看isMemberOfClass:的實現吧，

- (BOOL)isMemberOf:aClass
{
    return isa == (Class)aClass;
}

當前的isa指向NSObject的Meta Class，所以和NSObject Class不相等。所以輸出結果為NO。
第三題解析如下：
結果是輸出
2017-07-12 10:20:51.067 test[1038:39336] IMP: - [NSObject(Sark) foo] 2017-07-12 10:20:51.068 test[1038:39336] IMP: - [NSObject(Sark) foo]
注意這里有點蹊蹺的是如果將這個分類寫的一個文件import進來會編譯不過的，但是如果直接寫在.m文件，像下面這樣，就是好的，可以編譯過。

#import "ViewController.h"
@interface NSObject (Sark)
+ (void)foo;
@end
@implementation NSObject (Sark)
- (void)foo
{
    NSLog(@"IMP: - [NSObject(Sark) foo]");
}
@end
@interface ViewController ()
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    [NSObject foo];
    [[NSObject new] foo];
}
@end

1）objc runtime加載完后，NSObject的Sark Category被加載。而NSObject的Sark Category的頭文件+ (void)foo并沒有實質參與到工作中，只是給編譯器進行靜態檢查，所以我們編譯上述代碼會出現警告，提示我們沒有實現+ (void)foo方法。而在代碼編譯中，它已經被注釋掉了。
2）實際被加入到Class的method list的方法是- (void)foo，它是一個實例方法，所以加入到當前對象NSObject的方法列表中，而不是NSObject Meta class的方法列表中。
3）當執行[NSObject foo]時，我們看下整個objc_msgSend的過程：
objc_msgSend第一個參數是"(id)objc_getClass("NSObject")"，獲得NSObject Class的對象。
類方法在Meta Class的方法列表中找，我們在load Category方法時加入的是- (void)foo實例方法，所以并不在NSObject Meta Class的方法列表中，繼續往super class中找，NSObject Meta Class的super class是NSObject本身，所以，這個時候我們能夠找到 - (void)foo這個方法。所以輸出結果。
當執行[[NSObject new] foo]，我們看下整個objc_msgSend的過程：
[NSObject new]生成一個NSObject對象，直接在該對象的類（NSObject）的方法列表里找，能夠找到，所以正常輸出結果。

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