【iOS】类与对象底层探索
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前言
这篇文章主要探索OC对象的本质
首先我们需要明白我们平时编写的OC代码，底层实现都是C\C++代码
一、编译源码
首先通过终端利用clang将main.m编译为main.cpp
//1、将 main.m 编译成 main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp
//2、将 ViewController.m 编译成 ViewController.cpp
clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot / /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.7.sdk ViewController.m
//以下两种方式是通过指定架构模式的命令行，使用xcode工具 xcrun
//3、模拟器文件编译
- xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp
//4、真机文件编译
- xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp
二、探索对象本质
我们打开编译好的源文件后找到LGPerson，发现其在底层被编译为struct结构体
//NSObject的定义
@interface NSObject <NSObject> {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}
//NSObject 的底层编译
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
//LGPerson的底层编译
struct LGPerson_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; // 等效于 Class isa;
NSString *_name;
};
LGPerson_IMPL实现结构体中的第一个属性是isa，是继承自NSObject，是伪继承。意味着LGPerson拥有者NSObject中所有成员变量
LGPerson中的第一个属性 NSObject_IVARS 等效于 NSObject中的 isa
这里也许我们会产生一个疑问就是为什么isa的类型是class
根本原因是由于isa 对外反馈的是类信息
总结
因此我们可以得出：
OC对象本质就是结构体
LGPerson中的isa就是继承自NSObject中的isa
三、objc_setProperty 源码探索
除了LGPerson的底层定义，我们发现了属性name还有set与get方法，其中set方法依赖于runtime中的objc_setProperty
我们通过源码来查看一下objc_setProperty的底层实现
// 定义静态内联函数，用于设置对象的属性值。
static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy, bool mutableCopy)
{
// 如果偏移量为0，直接将newValue设置为对象的类（可能用于特殊的目的，如改变对象的动态类型）
if (offset == 0) {
object_setClass(self, newValue);
return;
}
// 定义用来保存旧值的变量
id oldValue;
// 计算属性值在内存中的实际位置
id *slot = (id*) ((char*)self + offset);
// 如果指定了copy标志，则对newValue执行不可变拷贝
if (copy) {
newValue = [newValue copyWithZone:nil];
}
// 如果指定了mutableCopy标志，则对newValue执行可变拷贝
else if (mutableCopy) {
newValue = [newValue mutableCopyWithZone:nil];
}
// 如果没有指定拷贝，检查newValue是否已经是当前值，如果是，则无需操作；否则，增加newValue的引用计数
else {
if (*slot == newValue) return;
newValue = objc_retain(newValue);
}
// 如果不是原子操作，直接更新内存位置的值
if (!atomic) {
oldValue = *slot;
*slot = newValue;
}
// 如果是原子操作，使用锁来保证线程安全
else {
spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot]; // 获取与属性位置相关联的锁
slotlock.lock(); // 锁定
oldValue = *slot; // 取出旧值
*slot = newValue; // 设置新值
slotlock.unlock(); // 解锁
}
// 释放旧值的引用，以防内存泄漏
objc_release(oldValue);
}
其方法原理就是retain新值->设置新值->释放旧值
四、类 & 类结构分析
本篇章的主要目的是分析 类 & 类的结构，整篇都是围绕一个类展开的一些探索
isa指针是什么
OC是一门面向对象编程的语言，每个对象都是类的实例，同时也被称为实例对象，同时每个对象都有一个isa指针，指向对象所属的类
另外我们打开NSObject源码
@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
由此可知类也是一个对象，简称为类对象
类的分析
首先我们定义两个类
继承自NSObject的类CJLPerson
@interface CJLPerson : NSObject
{
NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *cjl_name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end
@implementation CJLPerson
- (void)sayHello
{}
+ (void)sayBye
{}
@end
继承自CJLPerson的类CJLTeacher
@interface CJLTeacher : CJLPerson
@end
@implementation CJLTeacher
@end
在main中分别用两个定义两个对象：person & teacher
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
//ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
CJLPerson *person = [CJLPerson alloc];
CJLTeacher *teacher = [CJLTeacher alloc];
NSLog(@"Hello, World! %@ - %@",person,teacher);
}
return 0;
}
元类
首先我们通过一张图片引入元类
根据调试过程，我们产生了一个疑问：为什么图中的p/x 0x001d8001000022dd & 0x00007ffffffffff8ULL 与 p/x 0x00000001000022b0 & 0x00007ffffffffff8ULL 中的类信息打印出来都是CJLPerson？
0x001d8001000022dd是person对象的isa指针地址，其&后得到的结果是 创建person的类CJLPerson0x00000001000022b0是isa中获取的类信息所指的类的isa的指针地址，即CJLPerson类的类 的isa指针地址，在Apple中，我们简称CJLPerson类的类为 元类
所以，两个打印都是CJLPerson的根本原因就是因为元类导致的
元类的说明
下面我们来解释一下什么是元类
首先我们知道对象的isa指向类，同时我们前文也说了类也是一个对象，那么类也有isa指针，类的isa指针指向的就是元类
元类是系统给的，当我们创建类时会自动创建元类，类的归属来自于元类
首先我们之前的博客有分析过元类【iOS】isKindOfClass & isMemberOfClass比较
我们这里引出一个问题，NSObject到底有几个？
从这张图中我们可以看出根元类NSObject只有一个，这个与我们日常开发的NSObject是同一个吗
我们通过代码来验证一下
可以看出打印出的地址为同一个，所以NSObject只有一个，即类对象与元类都只有一个，而实例对象可以有很多个
NSObject *object1 = [[NSObject alloc] init];
NSObject *object2 = [[NSObject alloc] init];
// 打印两个实例的内存地址
NSLog(@"object1: %p", object1);
NSLog(@"object2: %p", object2);
// 获取并打印NSObject的类对象
Class objectClass1 = [object1 class];
Class objectClass2 = [object2 class];
NSLog(@"NSObject class: %p. %p", objectClass1, objectClass2);
// 获取并打印NSObject的元类对象
Class metaClass1 = object_getClass(objectClass1);
Class metaClass2 = object_getClass(objectClass2);
NSLog(@"NSObject meta-class: %p, %p", metaClass1, metaClass2);
[面试题]：类存在几份？
由于类的信息在内存中永远只存在一份，所以 类对象只有一份
五、著名的isa走位 & 继承关系图
这里的知识之前已经说过了，这里不再赘述
六、objc_class & objc_object
isa的走位我们清楚了，现在我们来讨论一个新问题，为什么对象和类会有isa属性，这里就引出了objc_class & objc_object
首先我们通过之前的源码知道：
NSObject的底层编译是NSObject_IMPL结构体
首先我们知道Class是isa指针的类型，是由objc_class定义的类型
objc_class实际上就是Class
在iOS中所有的Class都是以objc_class为模版创建的
我们查看一下objc_class的源码
我们可以看到objc_class结构体是继承自objc_object
再搜寻objc_object的定义
【问题】objc_class 与 objc_object 有什么关系？
通过查看源码我们可以得出几点说明：
objc_class继承自objc_object类型，其中objc_object也是一个结构体，且有一个isa类型- 在cpp底层编译中，isa的类型是Class，class的底层编码来自objc_class,因此NSObject也有了isa属性
- objc_object(结构体)是当前的根对象，所有的对象都有一个特性
objc_object，即拥有isa属性
objc_object 与 对象的关系
-
是一个继承关系，所有对象都是由
objc_object继承过来的 -
所有的对象都是来自
NSObject，但最后到底层都是一个objc_object（C/C++）结构体类型
总结：
所有对象+类+元类都有isa属性
所有对象都是由objc_object继承来的
objc_class结构
首先我们在源码中找到其结构
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
}
isa：主要指向类对象或是元类对象
superclass：指向当前类的父类
cache：方法缓存，提高调用方法的性能
bits：封装了类的其他信息，例如成员变量，方法列表，协议，属性
元类对象结构也是这样，只不过元类对象里面存放的是类方法
superClass
这里需要注意superclass是objc_class特有的，实例对象是没有的
bits
类结构中还有一个bits
我们通过源码查看一下其数据结构class_data_bits_t
struct class_data_bits_t {
friend objc_class;
// Values are the FAST_ flags above.
uintptr_t bits;
public:
class_rw_t* data() const {
return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}
// 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;
}
}
}
其中最重要的两个方法就是data 和 safe_ro,两个方法分别返回class_rw_t 和class_ro_t
class_rw_t
首先可以看到三个方法，可以分别获取到类的方法，属性，协议
class_ro_t
可以看到有方法、属性、协议和成员变量。但方法、属性、协议的命名都是base开通的
ro与rw的区别
ro是编译阶段生成，rw是运行阶段生成，从存储的角度来说，ro中有方法，属性，协议与成员变量，而rw中没有成员变量，rw中的取值方法也是通过取ro或是rwe的值来获得的
class_rw_ext_t
在2020WWDC中有个视频对ro与rw进行了解释，由于rw是一块脏内存，但是rw总有许多用不到的数据，我们将rw中那些一般用不到的数据分离出来变为干净的内存，也就是rw_ext_t，这样就减轻了rw对内存的占用
rw_ext_t生成条件：
-
使用分类的类
-
使用Runtime API动态修改类的结构的时候
这两种情况时，由于类的结构发生改变，但是ro是只读的，因此需要重新生成可读可写的内存结构rw_ext（Dirty Memory, 比较贵）,来存放新的类结构。
由此再次读取方法，属性，列表时如果有rw_ext，就会先从rw_ext中读取，如果没有再去读取ro
参考博客：
iOS八股文（四）类对象的结构（下）
思考：为什么类方法存储在元类中，而不把类方法存储在类对象中？或者说设置元类的目的是什么？
- 单一职责设计原理：一个对象或是一个类只应该有一个职责，类对象负责实例对象的行为，例如实例方法，协议，成员变量，属性等，元类对象负责类对象的行为，负责存放类方法，各司其职互不影响
- 符合消息转发机制
- 继承模型的一致性：在Objective-C中，类方法的继承与实例方法的继承遵循相同的模式。如果没有元类，类方法的继承将需要另外一套机制来处理。
cache_t结构
cache的作用是在objc_msgSend过程中会先在cache中根据方法名来hash查找方法实现，如果能查找到就直接掉用。如果查找不到然后再去rw_t中查找。然后再在cache中缓存。
总结
通过这篇文章我们得知
- 所有对象都有isa属性
- 所有对象都是由objc_object继承而来的
- objc_class中存放着对象的各种信息，实例对象则存放成员变量，类对象则存放实例方法与属性等，元类对象则存放类方法，符合单一职责原则
- isa 指针指向对象所属的类
- 可以从bits中的rw中查找方法属性，但不能查找到成员变量，成员变量存储在ro中，这也是为什么分类不能添加成员变量的原因
原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_72437555/article/details/138089265
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