iOS底層原理 - OC對象的本質 之 類信息、isa指針

面試題引發的思考：

Q: OC的類信息存放在哪里？

  • 類方法，存放在meta-class對象中；
  • 對象方法、屬性、成員變量、協議信息，存放在class對象中；
  • 成員變量的具體值，存放在instance對象。

Q: 對象的isa指針指向哪里？

  • instance對象的isa指向class對象；
  • class對象的isa指向meta-class對象；
  • meta-class對象的isa指向基類的meta-class對象。

1. OC的類信息存放在哪里？

(1) OC對象的分類：

Objective-C對象，簡稱OC對象，主要分為3種：

  • instance對象(實例對象)
  • class對象(類對象)
  • meta-class對象(元類對象)
1> instance對象(實例對象)

instance對象就是通過類alloc出來的對象，每次調用alloc都會產生新的instance對象。

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // instance對象，實例對象
        NSObject *object1 = [[NSObject alloc] init];
        NSObject *object2 = [[NSObject alloc] init];
     }
    return 0;
}
  • object1、object2是NSObject的instance對象(實例對象)；
  • 它們是不同的兩個對象，分別占據著兩塊不同的內存。

instance對象在內存中存儲的信息包括：

  • isa指針
  • 其他成員變量
@interface Person : NSObject {
   @public
   int _age;
}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *p1 = [[Person alloc] init];
        p1->_age = 3;
        Person *p2 = [[Person alloc] init];
        p2->_age = 4;
     }
    return 0;
}
instance對象在內存中存儲的信息
2> class對象(類對象)

通過class方法或runtime方法可以得到class對象：

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

        // class對象，類對象
        // class方法返回的一直是class對象，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);
        // 以下輸出地址相同
        NSLog(@"%p %p %p %p %p", objectClass1, objectClass2, objectClass3, objectClass4, objectClass5);
     }
    return 0;
}
  • objectClass1 ~ objectClass5都是NSObject的class對象；
  • 它們是同一個對象，每個類在內存中有且只有一個class對象。

class對象在內存中存儲的信息主要包括：

  • isa指針
  • superclass指針
  • 類的屬性信息(property)，類的成員變量信息(ivar)
  • 類的對象方法信息(instance method)，類的協議信息(protocol)
  • ......
class對象在內存中存儲的信息
3> meta-class對象(元類對象)
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // meta-class對象，元類對象
        // 將類對象當做參數傳入，獲得元類對象
        Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
        // 而調用類對象的class方法時得到還是類對象，無論調用多少次都是類對象
        Class objectMetaClass2 = [[[NSObject class] class] class];
        // 判斷該對象是否為元類對象
        BOOL result = class_isMetaClass([NSObject class]);
     }
    return 0;
}
  • objectMetaClass是NSObject的meta-class對象；
  • 每個類在內存中有且只有一個meta-class對象。

meta-class對象在內存中存儲的信息主要包括：

  • isa指針
  • superclass指針
  • 類的類方法信息(class method)
  • ......
meta-class對象在內存中存儲的信息
  • meta-class對象和class對象的內存結構是一樣的，但是用途不一樣：
  • meta-class對象主要存放：類方法
  • class對象主要存放：類的屬性，類的對象方法、協議、成員變量信息等
  • instance對象主要存放：成員變量
補充：objc_getClass、object_getClass、class區別：
 1. Class objc_getClass(const char *aClassName)
 1> 傳入字符串類名
 2> 返回對應的類對象
 
 2. Class object_getClass(id obj)
 1> 傳入的obj可能是instance對象、class對象、meta-class對象
 2> 返回值
 a) 如果是instance對象，返回class對象
 b) 如果是class對象，返回meta-class對象
 c) 如果是meta-class對象，返回NSObject（基類）的meta-class對象
 
 3. - (Class)class、+ (Class)class
 1> 返回的就是類對象

2. 對象的isa指針指向哪里？

(1) isa指針、superclass指針：

Q: instance對象、class對象、meta-class對象中的isa指針，有何作用？
Q: class對象、meta-class對象中的superclass指針又有何作用？

isa指針指向圖示

如上圖所示：

  • instance的isa指向class：
    當調用對象方法時，通過instance的isa找到class，最后找到對象方法的實現進行調用；
  • class的isa指向meta-class：
    當調用類方法時，通過class的isa找到meta-class，最后找到類方法的實現進行調用。
1> 對象方法的實現流程
superclass指針指向圖示1

如上圖所示， 當Student的instance對象要調用Person的對象方法時：

  • 首先通過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進行調用。
2> 類方法的實現流程
superclass指針指向圖示2

如上圖所示，當Student的class對象要調用Person的類方法時：

  • 首先通過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進行調用。

(2) 下圖詳盡的顯示出isa指針、superclass指針的指向：

isa指針、superclass指針指向匯總圖示

總結可知：

  • instance的isa指向class
  • class的isa指向meta-class
  • meta-class的isa指向基類的meta-class
  • class的superclass指向父類的class
    如果沒有父類，superclass指針為nil
  • meta-class的superclass指向父類的meta-class
    基類的meta-class的superclass指向基類的class
  • instance調用對象方法的軌跡
    isa找到class，方法不存在，就通過superclass找父類
  • class調用類方法的軌跡
    isa找meta-class，方法不存在，就通過superclass找父類

(3) 驗證：

1> 首先驗證object的isa指針是否指向objectClass：
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
        Class objectClass = [NSObject class];
        Class objectMetaClass = object_getClass(objectClass);

        NSLog(@"%p %p %p", object, objectClass, objectMetaClass);
    }
    return 0;
}

通過打斷點打印相應對象的isa指針：

objec的isa指針和objectClass的地址

Q: 為什么object的isa指針和objectClass的地址不同呢？

查看OC源碼發現：

ISA_MASK

從64bit開始，isa需要進行一次位運算，才能計算出真實地址

那么進行位運算：

isa位運算得出的真實地址

object的isa指針地址0x001dffff96537141與0x00007ffffffffff8進行位運算，得到0x00007fff96537140，與objectClass的地址相同；驗證完成。

2> 再驗證objectClass的isa指針是否指向objectMetaClass：

通過打印objectClass->isa：

p/x objectClass->isa error

無法獲得結果，根據提示進入Class內部查看：

Class

objc_class結構體內部第一個對象是isa指針，為了獲取isa指針，我們通過創建一個相同結構的結構體并通過強制轉化拿到isa指針：

struct my_object_class {
    Class isa;
};

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

        Class objectClass = [NSObject class];
        Class objectMetaClass = object_getClass(objectClass);
        struct my_object_class *objectClass2 = (__bridge struct my_object_class *)(objectClass);
     }
    return 0;
}

那么進行位運算：

isa位運算得出的真實地址

objectClass的isa指針地址0x001dffff8b42d0f1與0x00007ffffffffff8進行位運算，得到0x001dffff8b42d0f0，與meta-class的地址相同；驗證完成。

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