iOS-Objective-C的本质

àì夳堔傛蜴生んèń 2023-10-17 21:26 71阅读 0赞

众说周知，我们平时编写的OC代码，底层都是C/C++实现的

![640_wx_fmt_jpeg_tp_webp_wxfrom_5_wx_lazy_1][]

我们可以通过一个终端指令，将我们的OC代码转换成C/C++代码

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc 文件名 -o 输出的CPP文件

例如：

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main.cpp

思考一：OC的对象、类都是基于C/C++什么数据结构实现的？？

首先看下面代码：

#import <Foundation/Foundation.h>
    #import <objc/runtime.h>
    
    @interface Student : NSObject
    {
       
        @public
        int _age;
        int _no;
    }
    @end
    
    @implementation Student
    @end
    
    int main(int argc, const char * argv[]) {
       
        @autoreleasepool {
       
            Student *stu = [[Student alloc] init];
          
            stu->_age = 4;
            stu->_no = 5;
           
            NSLog(@"%@", stu);
          
            NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));
            NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([Student class]));
        }
        return 0;
    }

通过终端命令生成.cpp文件

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main.cpp

我们发现Student和NSObject的底层实现代码如下：

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

所以，OC的对象、类都是基于C/C++当中结构体实现的。

那么，一个NSObject对象占用多少内存呢？

通过以上代码，我们发现一个NSObject对象占用的内存大小是一个指针变量所占用的大小（64bit，8个字节。32bit，4个字节）

同样可以通过代码检验

方法一：通过runtime方法检验

NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]));

终端打印结果：

2018-03-13 12:02:26.584356+0800 TestDemo[33726:1665977] 8

方法二：实时查看内存数据

Debug -> Debug Workfllow -> View Memory （Shift + Command + M）

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![640_wx_fmt_jpeg_tp_webp_wxfrom_5_wx_lazy_1 2][]

输入内存地址：

![640_wx_fmt_jpeg_tp_webp_wxfrom_5_wx_lazy_1 3][]

同样发现一个Student占16个字节，其中指针占了8个字节

方法三：可以通过lldb命令查看

常用lldb命令

查看结果如下：

(lldb) x/4xw 0x102c0a590
    0x102c0a590: 0x000011c9 0x001d8001 0x00000004 0x00000005

还可以通过lldb命令修改对象的值：

类、实例对象、元类（class、instance、meta-class）

类(class)

类：类是现实世界或思维世界中的实体在计算机中的反映，它将数据以及这些数据上的操作封装在一起(百科上的回答)。简单的说就是数据及行为的封装

通过查阅 Apple 官方开源的 [objc][] 源码，可以看到类的数据结构如下：

struct objc_class : objc_object {
       
        // Class ISA;
        Class superclass;
        cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
        class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
    
        class_rw_t *data() { 
            return bits.data();
        }
        void setData(class_rw_t *newData) {
       
            bits.setData(newData);
        }
    
        ...
        ...
        ...（省略）
    }

struct class_rw_t {
        
        // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
        uint32_t flags;
        uint32_t version;
    
        const class_ro_t *ro;
    
        method_array_t methods; // 方法信息
        property_array_t properties;    // 属相信息
        protocol_array_t protocols;     // 协议信息
    
        Class firstSubclass;
        Class nextSiblingClass;
       
        ...
        ...
        ...（省略）

struct class_ro_t {
        
        uint32_t flags;
        uint32_t instanceStart;
        uint32_t instanceSize;  // 对象占用的内存大小
    #ifdef __LP64__
        uint32_t reserved;
    #endif
    
        const uint8_t * ivarLayout;
       
        const char * name;  // 类名
        method_list_t * baseMethodList;
        protocol_list_t * baseProtocols;
        const ivar_list_t * ivars;  // 成员变量列表
    
        const uint8_t * weakIvarLayout;
        property_list_t *baseProperties;
    
        method_list_t *baseMethods() const {
       
            return baseMethodList;
        }
    };

通过以上代码我们发现Class对象在内存中存储的信息主要包括：

*  isa指针
 *  superclass指针
 *  属性信息
 *  协议信息

同时我们发现objc\_class 继承自 objc\_object，哈哈，其实类也是一个对象。。。

NSObject *obj1 = [[NSObject alloc] init];
            NSObject *obj2 = [[NSObject alloc] init];
           
            Class objClass1 = [obj1 class];
            Class objClass2 = [obj2 class];
            Class objClass3 = [NSObject class];
            Class objClass4 = object_getClass(obj1);
            Class objClass5 = object_getClass(obj2);
          
            NSLog(@"\n%p\n%p\n%p\n%p\n%p\n%p\n%p\n", obj1, obj2, objClass1, objClass2, objClass3, objClass4, objClass5);

![640_wx_fmt_jpeg_tp_webp_wxfrom_5_wx_lazy_1 4][]

通过以上试验，我们发现，NSObject生成两个实例对象obj1、obj2，这两个实例对象分布在不同的内存地址，但是他们的Class指针是一样的，所以我们得出以下结论：

*  objClass1 ~ objClass5都是NSObject的class对象（类对象）
 *  它们是同一个对象。每个类在内存中有且只有一个class对象

实例对象(instance)

对象：对象是具有类类型的变量（百科）。其实对象就是一个类的具体实例。在 Objective-C 中，含有一个 isa 指针并且可以正确指向某个类的数据结构，都可以视作为一个对象，其中 isa 指针指向当前对象所属的类，通过苹果开源的官方文档，同样可以发现它的数据结构，如下代码：

struct objc_object {
        
    private:
        isa_t isa;
    
    public:
    
        // ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
        Class ISA();
    
        // getIsa() allows this to be a tagged pointer object
        Class getIsa();
    
        // initIsa() should be used to init the isa of new objects only.
        // If this object already has an isa, use changeIsa() for correctness.
        // initInstanceIsa(): objects with no custom RR/AWZ
        // initClassIsa(): class objects
        // initProtocolIsa(): protocol objects
        // initIsa(): other objects
        void initIsa(Class cls /*nonpointer=false*/);
        void initClassIsa(Class cls /*nonpointer=maybe*/);
        void initProtocolIsa(Class cls /*nonpointer=maybe*/);
        void initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor);
      
        ...
        ...
        ...（省略）
    }

其实上面代码中obj1、obj2就是NSObject生成的两个实例对象，不同的对象分别占据两块不同的内存。

通过查看对象的底层代码，同样可以发现，对象在内存中的存储信息包含：

*  isa指针
 *  其它成员变量的值等

就比如多个对象存在相同的属性，但是属性的值却存在不同的对象当中。

元类（meta-class）

元类：元类其实就是描述类对象的类。简单的说就是类描述的是对象，而元类描述的是类。所以元类也定义了类的行为（类方法），其实元类的数据结构和类基本相同，只不过元类定义类的行为是类方法（+），而对象是对象方法（-）。原理都是遍历方法列表或者缓存列表

Class objMetaClass1 = objc_getMetaClass("NSObject");
    Class objMetaClass2 = object_getClass([NSObject class]);

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objMetaClass1、objMetaClass2就是NSObject的meta-class对象（元类对象）

每个类在内存中有且只有一个meta-class对象

meta-class对象和class对象的内存结构是一样的，但是用途不一样，在内存中存储的信息主要包括：

*  isa指针
 *  superclass指针
 *  类的类方法信息（class method）等
 *  查看class是否为meta-class

BOOL result = class_isMetaClass([NSObject class]);

方法的调用流程

通过以上信息我们就了解到了类、对象、元类之间的关系，那么类方法和对象方法的调用过程是怎样的呢？？如下图所示：

![640_wx_fmt_jpeg_tp_webp_wxfrom_5_wx_lazy_1 6][]

instance的isa指向class：

当调用对象方法时，通过instance的isa找到class，最后找到对象方法的实现进行调用

class的isa指向meta-class：

当调用类方法是，通过class的isa找到meta-class,最后找到类方法的实现进行调用

superclass的作用

当一个对象调用父类方法时，其实就是通过isa找到class，然后通过superclass找到父类的class，最后找到对象方法的实现进行调用（类方法调用也是这个原理，通过isa找到meta-class,然后通过superclass找到父类的meta-class，最后找到类对象的实现进行调用）

isa和superclass的调用流程

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Greg Parker的一份精彩图谱

通过上图可以总结如下：

*  instance的isa指向class
 *  class的isa指向meta-class
 *  meta-class的isa指向基类的meta-class
 *  class的superclass指向父类的class
 *  如果没有父类，superclass指针为nil
 *  meta-class的superclass指向父类的meta-class
 *  基类的meta-class的superclass指向基类的class
 *  instance调用对象方法的轨迹，isa找到class，方法不存在，就通过superclass找父类
 *  class调用类方法的轨迹，isa找meta-class，方法不存在，就通过superclass找父类

> 作者：czj\_warrior
> 
> 链接：https://www.jianshu.com/p/e1993bf4ff58

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[objc]: https://opensource.apple.com/tarballs/objc4/
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[640_wx_fmt_jpeg_tp_webp_wxfrom_5_wx_lazy_1 7]: https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/foPACGrddJ3TDcl1uHgOXMiaMZn6ibALY7kKiaffIr4kNcJL42rtaniaAR27XDYGHYM59HXGXb0wbAxPfa0u3wud9Q/640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1