iOS底層原理總結(jié) - 探尋OC對象的本質(zhì)

作者：xx_cc
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面試題：一個NSObject對象占用多少內(nèi)存？

探尋OC對象的本質(zhì)，我們平時編寫的Objective-C代碼，底層實現(xiàn)其實都是C\C++代碼。

OC的對象結(jié)構(gòu)都是通過基礎(chǔ)C\C++的結(jié)構(gòu)體實現(xiàn)的。

我們通過創(chuàng)建OC文件及對象，并將OC文件轉(zhuǎn)化為C++文件來探尋OC對象的本質(zhì)

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *objc = [[NSObject alloc] init];
        
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

我們看一下NSObject_IMPL內(nèi)部

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};
// 查看Class本質(zhì)
typedef struct objc_class *Class;
我們發(fā)現(xiàn)Class其實就是一個指針，對象底層實現(xiàn)其實就是這個樣子。

思考： 一個OC對象在內(nèi)存中是如何布局的。

NSObjcet的底層實現(xiàn)，點擊NSObjcet進(jìn)入發(fā)現(xiàn)NSObject的內(nèi)部實現(xiàn)

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
@end

那么這個結(jié)構(gòu)體占多大的內(nèi)存空間呢，我們發(fā)現(xiàn)這個結(jié)構(gòu)體只有一個成員，isa指針，而指針在64位架構(gòu)中占8個字節(jié)。也就是說一個NSObjec對象所占用的內(nèi)存是8個字節(jié)。到這里我們已經(jīng)可以基本解答第一個問題。但是我們發(fā)現(xiàn)NSObject對象中還有很多方法，那這些方法不占用內(nèi)存空間嗎？其實類的方法等也占用內(nèi)存空間，但是這些方法所占用的存儲空間并不在NSObject對象中。

為了探尋OC對象在內(nèi)存中如何體現(xiàn)，我們來看下面一段代碼

NSObject *objc = [[NSObject alloc] init];

上面一段代碼在內(nèi)存中如何體現(xiàn)的呢？上述一段代碼中系統(tǒng)為NSObject對象分配8個字節(jié)的內(nèi)存空間，用來存放一個成員isa指針。那么isa指針這個變量的地址就是結(jié)構(gòu)體的地址，也就是NSObjcet對象的地址。
假設(shè)isa的地址為0x100400110，那么上述代碼分配存儲空間給NSObject對象，然后將存儲空間的地址賦值給objc指針。objc存儲的就是isa的地址。objc指向內(nèi)存中NSObject對象地址，即指向內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)體，也就是isa的位置。

自定義類的內(nèi)部實現(xiàn)

@interface Student : NSObject{
    
    @public
    int _no;
    int _age;
}
@end
@implementation Student

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        Student *stu = [[Student alloc] init];
        stu -> _no = 4;
        stu -> _age = 5;
        
        NSLog(@"%@",stu);
    }
    return 0;
}
@end

按照上述步驟同樣生成c++文件。并查找Student，我們發(fā)現(xiàn)Student_IMPL

struct Student_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    int _no;
    int _age;
};

發(fā)現(xiàn)第一個是 NSObject_IMPL的實現(xiàn)。而通過上面的實驗我們知道NSObject_IMPL內(nèi)部其實就是Class isa

那么我們假設(shè) struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; 等價于 Class isa;

可以將上述代碼轉(zhuǎn)化為

struct Student_IMPL {
    Class *isa;
    int _no;
    int _age;
};

因此此結(jié)構(gòu)體占用多少存儲空間，對象就占用多少存儲空間。因此結(jié)構(gòu)體占用的存儲空間為，isa指針8個字節(jié)空間+int類型_no4個字節(jié)空間+int類型_age4個字節(jié)空間共16個字節(jié)空間

Student *stu = [[Student alloc] init];
stu -> _no = 4;
stu -> _age = 5;

實際上想要獲取對象占用內(nèi)存的大小，可以通過更便捷的運行時方法來獲取。

class_getInstanceSize([Student class])
NSLog(@"%zd,%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]) ,class_getInstanceSize([Student class]));
// 打印信息 8和16

更復(fù)雜的繼承關(guān)系

面試題：在64bit環(huán)境下， 下面代碼的輸出內(nèi)容？

/* Person */
@interface Person : NSObject
{
    int _age;
}
@end

@implementation Person
@end

/* Student */
@interface Student : Person
{
    int _no;
}
@end

@implementation Student
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        NSLog(@"%zd  %zd",
              class_getInstanceSize([Person class]),
              class_getInstanceSize([Student class])
              );
    }
    return 0;
}

16 和 16 內(nèi)存對齊，繼承NSObject對象有一個isa指針。

OC對象的分類

面試題：OC的類信息存放在哪里。

面試題：對象的isa指針指向哪里。

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>

/* Person */ 
@interface Person : NSObject <NSCopying>
{
    @public
    int _age;
}
@property (nonatomic, assign) int height;
- (void)personMethod;
+ (void)personClassMethod;
@end

@implementation Person
- (void)personMethod {}
+ (void)personClassMethod {}
@end

/* Student */
@interface Student : Person <NSCoding>
{
    @public
    int _no;
}
@property (nonatomic, assign) int score;
- (void)studentMethod;
+ (void)studentClassMethod;
@end

@implementation Student
- (void)studentMethod {}
+ (void)studentClassMethod {}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {      
        NSObject *object1 = [[NSObject alloc] init];
        NSObject *object2 = [[NSObject alloc] init];

        Student *stu = [[Student alloc] init];
        [Student load];

        Person *p1 = [[Person alloc] init];
        p1->_age = 10;
        [p1 personMethod];
        [Person personClassMethod];
        Person *p2 = [[Person alloc] init];
        p2->_age = 20;
    }
    return 0;
}

OC的類信息存放在哪里

OC對象主要可以分為三種

instance對象（實例對象）

class對象（類對象）

meta-class對象（元類對象）

instance對象就是通過類alloc出來的對象，每次調(diào)用alloc都會產(chǎn)生新的instance對象

NSObjcet *object1 = [[NSObjcet alloc] init];
NSObjcet *object2 = [[NSObjcet alloc] init];

object1和object2都是NSObject的instace對象（實例對象），但他們是不同的兩個對象，并且分別占據(jù)著兩塊不同的內(nèi)存。

instance對象在內(nèi)存中存儲的信息包括

1.isa指針

2.其他成員變量

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衍生問題：在上圖實例對象中根本沒有看到方法，那么實例對象的方法的代碼放在什么地方呢？那么類的方法的信息，協(xié)議的信息，屬性的信息都存放在什么地方呢？

class對象

我們通過class方法或runtime方法得到一個class對象。class對象也就是類對象

Class objectClass1 = [object1 class];
Class objectClass2 = [object2 class];
Class objectClass3 = [NSObject class];

// runtime
Class objectClass4 = object_getClass(object1);
Class objectClass5 = object_getClass(object2);
NSLog(@"%p %p %p %p %p", objectClass1, objectClass2, objectClass3, objectClass4, objectClass5);

每一個類在內(nèi)存中有且只有一個class對象。可以通過打印內(nèi)存地址證明

class對象在內(nèi)存中存儲的信息主要包括

1.isa指針

2.superclass指針

3.類的屬性信息（@property），類的成員變量信息（ivar）

4.類的對象方法信息（instance method），類的協(xié)議信息（protocol）

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類方法放在那里？

元類對象 meta-class

//runtime中傳入類對象此時得到的就是元類對象
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
// 而調(diào)用類對象的class方法時得到還是類對象，無論調(diào)用多少次都是類對象
Class cls = [[NSObject class] class];
Class objectClass3 = [NSObject class];
class_isMetaClass(objectMetaClass) // 判斷該對象是否為元類對象
NSLog(@"%p %p %p", objectMetaClass, objectClass3, cls); // 后面兩個地址相同，說明多次調(diào)用class得到的還是類對象

每個類在內(nèi)存中有且只有一個meta-class對象。

meta-class對象和class對象的內(nèi)存結(jié)構(gòu)是一樣的，但是用途不一樣，在內(nèi)存中存儲的信息主要包括

isa指針

superclass指針

類的類方法的信息（class method）

meta-class對象和class對象的內(nèi)存結(jié)構(gòu)是一樣的，所以meta-class中也有類的屬性信息，類的對象方法信息等成員變量，但是其中的值可能是空的。

對象的isa指針指向哪里

當(dāng)對象調(diào)用實例方法的時候，我們上面講到，實例方法信息是存儲在class類對象中的，那么要想找到實例方法，就必須找到class類對象，那么此時isa的作用就來了。

instance的isa指向class，當(dāng)調(diào)用對象方法時，通過instance的isa找到class，最后找到對象方法的實現(xiàn)進(jìn)行調(diào)用。

當(dāng)類對象調(diào)用類方法的時候，同上，類方法是存儲在meta-class元類對象中的。那么要找到類方法，就需要找到meta-class元類對象，而class類對象的isa指針就指向元類對象

class的isa指向meta-class
當(dāng)調(diào)用類方法時，通過class的isa找到meta-class，最后找到類方法的實現(xiàn)進(jìn)行調(diào)用

當(dāng)對象調(diào)用其父類對象方法的時候，又是怎么找到父類對象方法的呢？，此時就需要使用到class類對象superclass指針。

當(dāng)Student的instance對象要調(diào)用Person的對象方法時，會先通過isa找到Student的class，然后通過superclass找到Person的class，最后找到對象方法的實現(xiàn)進(jìn)行調(diào)用，同樣如果Person發(fā)現(xiàn)自己沒有響應(yīng)的對象方法，又會通過Person的superclass指針找到NSObject的class對象，去尋找響應(yīng)的方法

當(dāng)類對象調(diào)用父類的類方法時，就需要先通過isa指針找到meta-class，然后通過superclass去尋找響應(yīng)的方法

當(dāng)Student的class要調(diào)用Person的類方法時，會先通過isa找到Student的meta-class，然后通過superclass找到Person的meta-class，最后找到類方法的實現(xiàn)進(jìn)行調(diào)用

本文面試題總結(jié)：

一個NSObject對象占用多少內(nèi)存？

答：一個指針變量所占用的大小（64bit占8個字節(jié)，32bit占4個字節(jié)）

對象的isa指針指向哪里？

答：instance對象的isa指針指向class對象，class對象的isa指針指向meta-class對象，meta-class對象的isa指針指向基類的meta-class對象，基類自己的isa指針也指向自己。

OC的類信息存放在哪里？

答：成員變量的具體值存放在instance對象。對象方法，協(xié)議，屬性，成員變量信息存放在class對象。類方法信息存放在meta-class對象。