iOS——类与对象底层探索

类和对象的本质

当我们使用OC创建一个testClass类并在main函数创建它的实例对象的时候，OC的底层到底是什么样的呢？

首先，我们要了解OC对象的底层结构，那么我们就得知道：OC本质底层实现转化其实都是C/C++代码。
使用下面这行命令将main.m文件转化为c++文件：

clang -rewrite-objc main.m

然后打开c++文件，我们可以看见TestClass的定义实际是：

#ifndef _REWRITER_typedef_TestClass
#define _REWRITER_typedef_TestClass
typedef struct objc_object TestClass;
typedef struct {} _objc_exc_TestClass;
#endif

struct TestClass_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
};

可以看出：

• OC中的TestClass类底层是struct TestClass_IMPL结构体。
• OC中@interface TestClass : NSObject，TestClass继承NSObject底层是typedef struct objc_object TestClass;这样体现的。
• 首先数入参TestClass * self，SEL _cmd，所有OC方法都有这两个隐藏参数，所以我们可以在OC的方法中使用self指针，但是这两个参数对外是不显示的。
• 看到getter和setter里是通过首地址指针+对应成员变量的地址值指针的偏移量的方式取和存的，最终通过(*(NSString **)还原为string类型。取值的过程就是：先拿到当前成员变量的地址，再去取这个地址里面所存的值。

struct NSObject_IMPL的具体实现：
通过在代码中查找发现：

#ifndef _REWRITER_typedef_NSObject
#define _REWRITER_typedef_NSObject
typedef struct objc_object NSObject;
typedef struct {} _objc_exc_NSObject;
#endif

struct NSObject_IMPL {
	Class isa;
};

该结构体中只有一个Class isa；
我们进一步查看Class：

typedef struct objc_class *Class;

发现Class实际上就是一个指针，指向了objc_class类型的结构体。关于objc_class，我们在下面的类结构中讲。

编译发现：

• TestPerson这个类在底层编译成了TestPerson_IMP结构体。

• 函数_I_TestPerson_name，实际上就是getter方法，包含两个默认参数self、_cmd。

• 函数_I_TestPerson_setName_，实际上就是setter方法，包含两个默认参数self、_cmd，与一个形参name。
  根据编译的结构我们可以得出下面结论：

• 对象的本质在底层就是一个objc_object结构体。

• 属性与成员变量的区别，属性是由成员变量+getter方法+setter方法组成。

实例对象的结构

本质是一个结构体，结构上包含指向所属类的isa指针和实例变量。

类结构

现在我们来看objc_class，在将obj4源码搜索后可以发现：

struct objc_class : objc_object {
  objc_class(const objc_class&) = delete;
  objc_class(objc_class&&) = delete;
  void operator=(const objc_class&) = delete;
  void operator=(objc_class&&) = delete;
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // 方法缓存 formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // 用于获取具体的类信息 class_rw_t * plus custom rr/alloc flagsflags

在这段代码中可以看出：类是一个结构体，其中存放了superclass、cache和bits等。objc_class继承于objc_object。

• objc_class继承于objc_object，换句话说，类的本质也是个对象，其中isa指针式其继承自objc_object的，所以代码里才注释了// Class ISA;
  继续搜索objc_object，我们可以找到：

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:
//...

会发现isa_t类型的属性isa。

isa

我们去搜一下isa_t，可以看见它的源码：

#include "isa.h"

union isa_t {
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

    uintptr_t bits;

private:
    // Accessing the class requires custom ptrauth operations, so
    // force clients to go through setClass/getClass by making this
    // private.
    Class cls;

public:
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };

#if ISA_HAS_INLINE_RC
    bool isDeallocating() const {
        return extra_rc == 0 && has_sidetable_rc == 0;
    }
    void setDeallocating() {
        extra_rc = 0;
        has_sidetable_rc = 0;
    }
#endif // ISA_HAS_INLINE_RC

#endif

    void setClass(Class cls, objc_object *obj);
    Class getClass(bool authenticated) const;
    Class getDecodedClass(bool authenticated) const;
};

# if  __ARM_ARCH_7K__ >= 2  ||  (__arm64__ && !__LP64__)
    // armv7k or arm64_32

#   define ISA_BITFIELD                         \
      // 定义 ISA_BITFIELD 宏，用于设置 isa 位域结构
      uintptr_t nonpointer        : 1;
      uintptr_t has_assoc         : 1;
      uintptr_t indexcls          : 15;//indexcls位,用于存储类索引
      uintptr_t magic             : 4;//magic位，用于存储魔术值
      uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;//has_cxx_dtor位,表示是否有 C++ 析构函数
      uintptr_t weakly_referenced : 1;//weakly_referenced位，表示是否有弱引用
      uintptr_t unused            : 1//unused位，未使用
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;//has_sidetable_rc位，表示是否有附加引用计数
      uintptr_t extra_rc          : 7//extra_rc位，表示额外的引用计数

在这个定义中，isa_t 是一个联合体，包含了以下几个部分：

1. bits：一个无符号整数类型，表示整个 isa 值。
2. cls：一个类指针，指向对象的类。
3. 位域结构：包含了多个字段，每个字段表示 isa 指针的一部分。

** 什么是isa**
isa指针保存着指向类对象的内存地址，类对象全局只有一个，因此每个类创建出来的对象都会默认有一个isa属性，保存类对象的地址，也就是class，通过class就可以查询到这个对象的属性和方法，协议等；

isa 的作用

• 类指针：isa 指针的主要作用是指向对象的类。通过这个指针，运行时可以找到对象的类定义，并调用相应的类方法。
• 标志位：在现代 Objective-C 运行时中，isa 指针还包含了一些额外的标志位，用来存储对象的元数据。例如，nonpointer 标志表示 isa 是否包含额外的元数据，has_assoc 标志表示对象是否有关联的对象，extra_rc 表示对象的引用计数等。

__arm64__之前，isa仅仅是一个指针，保存着对象或类对象内存地址，在__arm64__架构之后，apple对isa进行了优化，变成了一个共用体（union）结构，同时使用位域来存储更多的信息。
所以现在的isa是结构体，其中会存储类的地址，它已经并不是指针了，“isa指向”这句话严格来说是不正确的，但是方便理解

isa的初始化流程

bits

在objc_class中我们可以看见：

class_data_bits_t bits;

bits是class_data_bits_t类型的结构体，其源码：

public:

    class_rw_t* data() const {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
    void setData(class_rw_t *newData)
    {
        ASSERT(!data()  ||  (newData->flags & (RW_REALIZING | RW_FUTURE)));
        // Set during realization or construction only. No locking needed.
        // Use a store-release fence because there may be concurrent
        // readers of data and data's contents.
        uintptr_t newBits = (bits & ~FAST_DATA_MASK) | (uintptr_t)newData;
        atomic_thread_fence(memory_order_release);
        bits = newBits;
    }

    // Get the class's ro data, even in the presence of concurrent realization.
    // fixme this isn't really safe without a compiler barrier at least
    // and probably a memory barrier when realizeClass changes the data field
    const class_ro_t *safe_ro() const {
        class_rw_t *maybe_rw = data();
        if (maybe_rw->flags & RW_REALIZED) {
            // maybe_rw is rw
            return maybe_rw->ro();
        } else {
            // maybe_rw is actually ro
            return (class_ro_t *)maybe_rw;
        }
    }

这段代码用于处理类对象的数据，有三个主要的方法：data(), setData(class_rw_t *newData), 和 safe_ro()。

1. data()：这个方法返回类对象的数据。 bits & FAST_DATA_MASK 是一个位操作，用于获取存储在 bits 中的类数据。
2. setData(class_rw_t *newData)：这个方法用于设置类对象的数据。它首先检查新数据是否有效，然后使用原子操作更新 bits。
3. safe_ro()：这个方法用于安全地获取类对象的只读数据。它首先获取类的数据，然后检查数据的状态。如果数据已经被实现（RW_REALIZED），那么它返回数据的只读版本。如果数据还没有被实现，那么它直接返回数据。
   在这之中比较重要的是class_rw_t 和class_ro_t 。

class_rw_t

该结构体用于存储类对象的可读写数据，包括类的实例方法列表、协议列表、属性列表等。当你向一个类添加方法或协议，或者修改属性时，这些信息会被存储在class_rw_t结构体中。
通过runtime动态修改类的方法时，其实是修改在class_rw_t区域中存储的方法列表。

class_ro_t

该结构体用于存储类对象的只读数据，包括类的名称、父类、实例大小等信息。这些信息在类对象创建时就已经确定，不会在运行时改变，所以被存储在class_ro_t结构体中。

chche_t

cache_t是一个结构体，用于存储类对象的方法缓存。每个类对象都有一个cache_t成员，这个成员会缓存类对象最近使用的方法。当你向一个类对象发送消息时，Runtime会首先在这个缓存中查找方法。如果找到了，就直接调用缓存的方法，这样可以大大提高方法调用的效率。如果没有找到，Runtime会在类的方法列表中查找，然后将找到的方法添加到缓存中。

类的继承

假如现在有三个类：SuperClass、Sub1Class、Sub2Class；Sub2Class继承于Sub1Class，Sub1Class继承于SuperClass；

@interface SuperClass : NSObject

@end

@interface Sub1Class : SuperClass

@property (nonatomic, assign) int age;

@end

@interface Sub2Class : Sub1Class

@property (nonatomic, strong) NSString *name;

@end

使用clang -rewrite-objc main.m转化为cpp代码：

struct NSObject_IMPL {
	Class isa;
};
struct SuperClass_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
};
struct Sub1Class_IMPL {
	struct SuperClass_IMPL SuperClass_IVARS;
};
struct Sub2Class_IMPL {
	struct Sub1Class_IMPL Sub1Class_IVARS;
};

每一个子类的结构中包含了父类的isa。因此，OC的继承，在底层中是使用结构体嵌套来实现的。

指针内存平移

指针内存平移是指通过操作指针的值，移动指针指向的内存位置。在 Objective-C 运行时，这种技术被广泛用于访问对象的成员变量、方法列表等。

为什么category不能添加成员变量

因为category是运行时添加的，他只能操作class_rw_t结构，但是class_rw_t结构没有添加成员变量的入口。成员变量是存储在class_ro_t中的，是无法被修改的，所以category就不能添加成员变量。

对象、类、父类、元类的关系

1. 对象（Instance）

• 每个对象是某个类的实例，它包含该类的成员变量和方法。
• 对象在运行时通过 isa 指针指向它所属的类。

2. 类（Class）

• 类是对象的蓝图，定义了对象的成员变量和方法。
• 类本身也是一个对象，它是 Class 类型的实例。
• 每个类有一个 isa 指针，指向它的元类（metaclass）。

3. 父类（Superclass）

• 类可以继承自另一个类，称为父类或超类。
• 继承使得子类（subclass）可以使用父类的成员变量和方法，同时可以添加新的成员变量和方法，或重写父类的方法。
• 每个类有一个 super_class 指针，指向它的父类。

4. 元类（Metaclass）

• 元类是类的类，定义了类对象的行为和方法。
• 每个元类也是一个类，并且有自己的 isa 指针，指向根元类（root metaclass）。
• 元类也有一个 super_class 指针，指向父类的元类。

元类的定义

其原理就是OC对象在发送消息时，运行时库会追寻着对象的isa指针得到对象所属的类。这个类包含了能应用于这个类的所有实例方法以及指向父类的指针，以便可以找到父类的实例方法。运行时库检查这个类和其父类的方法列表，找到与消息对应的方法。编译器会将消息转换为消息函数objc_msgSend进行调用(这里在消息传递和消息转发的博客里有说)

如图：每一个实例变量的isa都指向自己所属的类，每一个类的isa都指向自己所属的元类，同时，父类的元类也是子类的元类的父类，父类的元类也是根元类的子类。而父类的元类和子类的元类都属于根元类。根元类的isa指向自己，同时根元类的父类也是自己的下属类(NSObject元类的父类是NSObject类)：

从消息机制的层面来讲：

• 当你给对象发消息时，消息会寻找这个对象的类的方法列表
• 当你给类发消息时，消息是在寻找这个类的元类的方法列表

类对象

Objective-C中所有对象可以分为3类：实例对象，类对象，元类对象。其中我们开发者常用的继承自NSObject都属于实例对象，实例对象通过isa指针指向的是类对象。类对象通过isa指向的是元类对象。类对象和元类对象拥有同样的结构，都是来自objc_class。

class方法

class方法是一种特殊的类方法。它的主要作用是返回调用该方法的类的类对象。类对象是一个特殊的对象，它包含了类的元数据，如类的名称，类的父类，类的实例变量（ivar）等信息。
class方法一些注意的点：

• class ObjectClass = [[nsobject class]class]; 返回的还是class对象，并不是meta-class对象。- (Class)class, +(Class)class返回的就是类对象。

class ObjectClass = [[NSObject class] class];这行代码的含义是获取NSObject类对象的类对象。首先，[NSObject class]获取了NSObject的类对象，然后再次调用class方法获取该类对象的类对象，也就是元类对象，然后将这个元类对象赋值给ObjectClass变量。
然而，Objective-C在设计上对这一点进行了特殊处理。当我们调用一个类对象的class方法时，返回的仍然是类对象，而不是元类对象。这也就是为什么class ObjectClass = [[NSObject class] class];这行代码返回的还是类对象，而不是元类对象。
至于- (Class)class和+ (Class)class，它们分别是实例方法和类方法。- (Class)class是对象的实例方法，调用这个方法会返回该对象的类对象。+ (Class)class是类方法，调用这个方法会返回调用它的类的类对象。在Objective-C中，类方法和实例方法是可以有相同的名称的，它们被归类到不同的命名空间中。

• 在Objective-C中，元类对象和类对象的内存结构是一样的，但它们的用途不同。

类对象包含了类的元数据信息，例如实例变量的布局信息、属性信息、对象方法列表等。当我们创建一个新的对象实例时，这些信息会被用到。
而元类对象则主要包含了类方法的信息。当我们调用一个类方法时，这些信息会被用到。除了类方法的信息，元类对象的其他部分，如实例变量的布局信息、属性信息等，通常都为空的。

//instance实例对象
        NSObject *object1 = [[NSObject alloc] init];
        NSObject *object2 = [[NSObject alloc] init];

        //class对象，类对象
        //objectClass1~5都是NSObject的类对象
        Class objectClass1 = [object1 class];
        Class objectClass2 = [object2 class];
        Class objectClass3 = [NSObject class];
        Class objectClass4 = object_getClass(object1);
        Class objectClass5 = object_getClass(object2);
        
        //元类对象(将类对象当作参数传入进去)
        Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
        Class objectMetaClass2 = [[NSObject class] class];
        
        //判断是不是元类对象

        NSLog(@"instance - %p %p", object1, object2);
        NSLog(@"class - %p %p %p %p %p %d", objectClass1,objectClass2, objectClass3, objectClass4, objectClass5, class_isMetaClass(objectClass3 ));
        NSLog(@"mateClass - %p %p %d",objectMetaClass, objectMetaClass2, class_isMetaClass(objectMetaClass));

输出情况：
instance - 0x100511920 0x10050e840
class - 0x7fff91da2118 0x7fff91da2118 0x7fff91da2118 0x7fff91da2118 0x7fff91da2118 0
mateClass - 0x7fff91da20f0 0x7fff91da2118 1

无论多少次class方法得到的都还是类函数。