這篇文章源于美團面試官問的我一個問題，為什么Objective-C中有Class和MetaClass這種設計？去掉是否可以？當時的我并沒有深入思考過這個問題，而網上搜索的結果都是在闡述有MetaClass而簡略的解釋了原因。我認為這個問題是個很關鍵的問題，花了大概兩周時間查閱資料，查看源碼。這篇文章試圖展開探討一個問題，為什么Objective-C中有MetaClass這個設計？
前置知識
首先簡單分析下在Objective-C中，對象是什么。下面源碼基于Runtime-709分析。
typedef struct objc_object *id;//id其實是一個object結構體的指針，所以id不用加*
typedef struct objc_class *Class;//Class是class結構體的指針
struct objc_object {
Class isa;
};
struct objc_class : objc_object {
Class superclass;
cache_t cache; // 用來緩存指針和虛函數表
class_data_bits_t bits; //方法列表等
//...
}
可以看到，對象最基本的就是有一個isa指針，指向他的class，而Class本身是繼承自object。isa指針的理解誒就是英文is a，代表“xxx is a （class）”。那么也就是說，一個對象的isa指向哪個class，代表它是那個類的對象。那么對于class來說，它也是一個對象，它的isa指針指向什么呢？
對于Class來說，也就需要一個描述他的類，也就是“類的類”，而meta正是“關于某事自身的某事”的解釋，所以MetaClass就因此而生了。
而從runtime動態生成一個類的Api的方法中，我們也可以發現metaClass的蹤跡。
Class objc_allocateClassPair(Class superclass, const char *name,
size_t extraBytes)
{
Class cls, meta;
rwlock_writer_t lock(runtimeLock);
// 如果 Class 名字已存在或父類沒有通過認證則創建失敗
if (getClass(name) || !verifySuperclass(superclass, true/*rootOK*/)) {
return nil;
}
//分配空間
cls = alloc_class_for_subclass(superclass, extraBytes);
meta = alloc_class_for_subclass(superclass, extraBytes);
//構建meta和class的關系
objc_initializeClassPair_internal(superclass, name, cls, meta);
return cls;
}
通過這個方法生成后，就成了大家熟悉的那張圖。
從這張圖上，我們可以看到通過這么一層繼承關系，Objective-C的對象原型繼承鏈就完整了。
同時，實例的實例方法函數存在類結構體中，類方法函數存在metaclass結構體中，而Objective-C的方法調用（消息）就會根據對象去找isa指針指向的Class對象中的方法列表找到對應的方法。
Python中的MetaClass
再講Objective-C之前，先講講別的語言的設計，通過各種語言的比較，可以從更廣的層面去理解語言的設計思想。而之所以先講起Python，是因為我在搜索MetaClass時，搜索結果中大部分其實是講Python中MetaClass的。
先看看Python中一個對象結構是怎么樣的，以下源碼基于CPython 3.7.0 alpha 1。
//object.h
typedef struct _object {
_PyObject_HEAD_EXTRA
Py_ssize_t ob_refcnt;//引用計數
struct _typeobject *ob_type;//類型
} PyObject;
和Objective-C中類似，ob_type其實就是一個isa指針，代表是什么類型。
而再看看PyTypeObject是怎么樣的。
//object.h
typedef struct _typeobject {
PyObject_VAR_HEAD
const char *tp_name; /* For printing, in format "<module>.<name>" */
Py_ssize_t tp_basicsize, tp_itemsize; /* For allocation */
//....
} PyTypeObject;
#define PyObject_VAR_HEAD PyVarObject ob_base;
typedef struct {
PyObject ob_base;
Py_ssize_t ob_size; //對象長度
} PyVarObject;
PyVarObject是一種可變長度對象，是在PyObject基礎上加上了對象的長度。而開始的內存包括了ob_base這個PyObject，就代表可以用PyObject指針進行引用。所以可以說，結構體中剛開始的部分是一個PyObject對象，在Python中引用就是一個對象。那么PyTypeObject開頭是一個PyVarObject，也就是一個對象。也就是說，Python里的Class，也是一個對象。
#在python中生成一個Class
MyClass = type('MyClass', (), {})
先看看Python里面的type關鍵字是什么。
//bltinmodule.c
SETBUILTIN("type", &PyType_Type);
//typeobject.c
PyTypeObject PyType_Type = {
PyVarObject_HEAD_INIT(&PyType_Type, 0)
"type", /* tp_name */
//.....
type_init, /* tp_init */
//....
type_new, /* tp_new */
//....
};
可以發現type關鍵字是PyType_Type的一個引用，而PyType_Type是返回一個PyTypeObject，生成類的對象。而PyVarObject_HEAD_INIT遞歸引用了自己（PyType_Type）作為它的type，所以可以得知type(class) == type 。也就是說，Python中類的isa指針指向type，也就說type其實就是MetaClass，而同時type(type) == type，也就是type的isa指針指向type自身。那么Python的對象鏈就如下圖。
而Objective-C不太一樣的是，并不是每一個類都有一個MetaClass，而是所有的類默認都是同一個MetaClass。當然，Python里可以自定義新的MetaClass。
Python中為何要使用元類的原因可能是，Python希望讓使用者對類有著最高的控制權，可以通過對元類的自定義而改變制造類的過程（例如Django里的ORM）。也就是，Python開放了面向對象中類的制造者的權限。而同時，根據StackOverFlow這個問答，Python的類的設計是借鑒于Smalltalk這門語言。
Smalltalk！！Objective-C的特性基本上是照搬的Smalltalk，看來Smalltalk里可以找到一些線索。
Smalltalk-面向對象的前輩
Smalltalk，被公認為歷史上第二個面向對象的語言，其亮點是它的消息發送機制。
Smalltalk中的MetaClass的設計是Smalltalk-80加入的。而之前的Smalltalk-76，并不是每個類有一個MetaClass，而是所有類的isa指針都指向一個特殊的類，叫做Class(這種設計之后也被Java借鑒了）。
而每個類都有自己MetaClass的設計，加入的原因是，因為Smalltalk里面，類是對象，而對象就可以響應消息，那么類的消息的響應的方法就應該由類的類去存儲，而每個MetaClass就持有每個類的類方法。
問題1：每個MetaClass的isa指針指向什么？
如果MetaClass再有MetaClass，那么這個關系將無窮無盡。Smalltalk里的解決方案是，指向同一個叫MetaClass的類。
問題2：MetaClass的isa指針指向什么？
指向他的實例，也就是實例的isa指向MetaClass，同時MetaClassisa指向實例，相互指著。
那么Smalltalk的繼承關系，其實和Objective-C的很像了（后面有class的是前者的MetaClass）。
這時候產生了一個重要的問題，假如去掉MetaClass，把類方法放到也類里面是否可行？
這個問題，我思索許久，發現其實是一個對面向對象的哲學思想問題，要對這個問題下結論，不得不重新講講面向對象。
從Smalltalk重新認識面向對象
以前談到面向對象，總會提到，面向對象三特征：封裝、繼承、多態。但其實，面向對象中也分流派，如C++這種來自Simula的設計思想的，更注重的是類的劃分，因為方法調用是靜態的。而如Objective-C這種借鑒Smalltalk的，更注重的是消息傳遞，是動態響應消息。
而面向對象三種特征，更基于的是類的劃分而提出的。
這兩種思想最大的不同，我認為是自上而下和自下而上的思考方式。
- 類的劃分，要求類的設計者是以一個很高的層次去設計這個類，提取出類的特性和本質，進行類的構建。知道類型才可以去發送消息給對象。
- 消息傳遞，要求的是類的設計者以消息為起點去構建類，也就是對外界的變化進行響應，而不關心自身的類型，設計接口。嘗試理解消息，無法處理則進行特殊處理。
在此不討論兩種方式的優劣之分，而著重講講Smalltalk這種設計。
消息傳遞對于面向對象的設計，其實在于給出一種對消息的解決方案。而面向對象優點之一的復用，在這種設計里，更多在于復用解決方案，而不是單純的類本身。這種思想就如設計組件一般，關心接口，關心組合而非類本身。其實之所以有MetaClass這種設計，我的理解并不是先有MetaClass，而是在萬物都是對象的Smalltalk里，向對象發送消息的基本解決方案是統一的，希望復用的。而實例和類之間用的這一套通過isa指針指向的Class單例中存儲方法列表和查詢方法的解決方案的流程，是應該在類上復用的，而MetaClass就順理成章出現罷了。
最后
回到一開始那個問題，為什么要設計MetaClass，去掉把類方法放到類里面行不行？
我的理解是，可以，但不Smalltalk。這樣的設計是C++那種自上而下的設計方式，類方法也是類的一種特征描述。而Smalltalk的精髓正在于消息傳遞，復用消息傳遞才是根本目的，而MetaClass只不過是因此需要的一個工具罷了。
PS：筆者這個問題從MetaClass入手去思考，是百思不得其解的。后來看了很多面向對象的東西，才發現這不過是一個產物，而并不是一個重點。
PSS：對于類的實現，Javascript中那種使用Protocol實現的方式也很有意思，受限于篇幅，暫不展開
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