iOS 底层探索：类的结构分析

iOS 底层探索：学习大纲 OC篇

前言

这篇主要内容探索类的结构分析。
通过上篇iOS 探索 isa与类关联的原理,知道了isa关联了当前的类信息之后，类的属性、方法列表等存在哪里呢？抱着疑问我们开始类的结构的探索。

准备工作

复习指针的基本知识：c语言的指针
复习调试输出指令：LLDB调试技巧

一、引入元类

我们通过LLDB调试, 先探索类的内存信息。

类的内存分析

注：其实图中第二个打印的指针指向的HJPerson的元类。

打印的具体流程如下：

打印内存分析图

那么我们按照上图的打印分析，我们继续寻找元类的上层是啥呢？如下图

探索元类的终点

如图2、3、4中打印元类还有根元类NSObject ，图中3和4的又不一样，分析可知一个是NSObject类 一个是 NSObject的元类，NSObject的元类又是HJPerson的元类的根元类, 根源类再次查看地址还是自己，说明已经到底了。

先梳理一下isa指向流程：isa对象——> 类HJPerson ——>元类HJPerson ——> 根元类NSObject <=> 根元类NSObject

拓展：查看根元类的内存

从图片上可以看出，NSObject的元类、根元类，根根元类的指针地址都是一模一样的

总结一下对元类的理解：

元类就是类对象所属的类。所以，实例是类的实例，类作为对象又是元类的实例。OC中所有的类都是一种对象，所以元类也是对象，那么元类是根元类的实例，同时根元类是其自身的实例。

二、分析isa、对象、类和元类的关系

对象、类和元类跟随isa指针走向关系简单流程如下图

元类也有isa指针,它的isa指针最终指向的是一个根元类(root metaClass);
根元类的isa指针指向本身，这样形成了一个封闭的内循环；

最终各个类实例变量的继承关系如图：

isa经典流程图

isa流程图注：

superClass是一层层集成的，到最后NSObject的superClass是nil。而NSObject的isa指向根元类，这个根元类的isa指向它自己，而它的>superClass是NSObject，也就是最后形成一个环。

metaClass也是相互继承的。

三、源码分析 isa的来源：`objc_class与objc_object`

struct HJPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
};

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

查看HJPerson类的编译后的结构体，我们发现NSObject_IMPL也是个结构体，结构体内部的isa是一个class类型的，说明isa也是一个class的对象，那么class又是啥？

再次查看class 的来源

 //class又是objc_class的对象
typedef struct objc_class *Class;
 //objc_object结构体里面有isa
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
//objc_class 继承objc_object
struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;                 //默认有个 ISA
    Class superclass;         //父类
    cache_t cache;             //缓存
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }
    void setData(class_rw_t *newData) {
        bits.setData(newData);
    }
    ......

可以看出：

Class 是一个objc_class 结构类型的对象,id是一个 objc_object结构类型的对象。
objc_object结构体中可以看出来，这个结构体只有一个成员变量，这是一个Class类型的变量isa。
objc_class又继承objc_object,其中// Class ISA;，这里其实就是isa指向的终点。这里注释不是表示没有，而是代表本身自带一个isa。
从objc_class结构体可以看出来，里面有个isa属性，还有个super_class属性，它俩都是指针，其实在objc_class的定义中也能看出来，每一个objc_class都有isa，但是不一定会有super_class。

总结：

所有的对象 + 类 + 元类都有isa属性
所有的对象都是由objc_object继承来的,所以常说万物皆对象
在结构层面可以通俗的理解为上层OC 与底层的对接：
- 下层是通过结构体定义的模板，例如objc_class、objc_object
- 上层是通过底层的模板创建的一些类型，例如HJPerson

四、针对数组指针进行内存平移拓展

数组指针的平移推导流程：

数组指针

说明：

发现数组地址和数组的值1的地址一样。说明了数组值的首地址即为数组的地址。并且数组的第二个值的地址跟第一个值的地址的偏移量是4个字节，也就是int的长度。所以数组中的值的地址是相对平移
-偏移：指针变量的偏移，用数组的指针访问数组元素可以反向推导数组的值
拓展：类似结构体，我们是否也可以通过地址的偏移拿到类的结构体内部的值呢？

五、类的内存结构分析

通过源码拿到类对象的结构体 objc_class 在最新版（objc4-781版本）定义

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA; //默认含有一个8字节isa指针
    Class superclass; //父类指针 8字节
    cache_t cache;             // 缓存 16字节
    class_data_bits_t bits;    //类的信息

    class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }
    void setData(class_rw_t *newData) {
        bits.setData(newData);
    }
 .......

bits 里面存的是各种方法协议的信息。通过内存平移原理我们可以通过底层的方法获取到类的信息。

1. 通过偏移计算类的bits，
分析如图

偏移计算类的bits

注：

32字节的由来

两个class 都是isa 指针是8+8个字节这个好理解

我们来看 cache_t cache 为什么是16字节呢？

2.查看源码分析 cache_t结构体大小

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;  //bucket_t * 这是一个指针 8 字节
    explicit_atomic<mask_t> _mask; //mask_t的定义：typedef uint32_t mask_t;  mask_t 是 unsigned int 的别名，占4字节
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets; //typedef unsigned long   uintptr_t;（unsigned long） 占8字节
    mask_t _mask_unused; //mask_t 是 unsigned int 的别名，占4字节
    
    // 以下 static 修饰的变量不在结构体内存中 所以忽略
    static constexpr uintptr_t maskShift = 48;
    static constexpr uintptr_t maskZeroBits = 4;
    static constexpr uintptr_t maxMask = ((uintptr_t)1 << (64 - maskShift)) - 1;
    static constexpr uintptr_t bucketsMask = ((uintptr_t)1 << (maskShift - maskZeroBits)) - 1;
    static_assert(bucketsMask >= MACH_VM_MAX_ADDRESS, "Bucket field doesn't have enough bits for arbitrary pointers.");
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_LOW_4
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets; // uintptr_t;（unsigned long） 占8字节
    mask_t _mask_unused;//mask_t 是 unsigned int 的别名，占4字节
    static constexpr uintptr_t maskBits = 4;
    static constexpr uintptr_t maskMask = (1 << maskBits) - 1;
    static constexpr uintptr_t bucketsMask = ~maskMask;
#else
#error Unknown cache mask storage type.
#endif
    
#if __LP64__
    uint16_t _flags; //unsigned short 2个字节
#endif
    uint16_t _occupied; //unsigned short 2个字节

根据源码中注释进行计算：分析if else中的判断条件
最后结果： 8+4+2+2 = 16

3.通过源码查看属性方法协议：

通过查看class_rw_t定义的源码发现，跳转class_rw_t到源码中查看，可以看到如图

image.png

通过lldb查看属性列表property_list

如下图

lldb查看属性列表

打印方法解释：

p $9.properties()：命令中的propertoes方法是由class_rw_t提供的,方法中返回的实际类型为property_array_t；
p $10.list ：list是properties的成员；
p *$13：直接获取property_list_t的指针内容；
p $14.get(0)：通过get方法获取属性；

4.lldb 查看方法列表methods_list：

如下图

lldb查看方法列表打印

注：

类方法+ (void)playByteRoll; 获取到的 name = ".cxx_destruct"说明了类方法不存在类中，调用类方法需要底层操作一波儿；
对象方法、set 、get方法自动生成在方法列表中。

5.查找类的类方法：

其实元类中储存着类的类方法，在lldb中查找如图：

lldb类的类方法分析图.png

6.查找类的成员变量：
我们知道属性 = 成员变量 + set方法 + get方法，所以我们猜成员变量估计也在类中。
我们在源码中查找

成员变量查找流程

注：实例变量ivars 是成员变量的一部分。所以ivars 存的就是成员变量。
再来通过lldb查找

lldb查找类的成员变量

五、总结

这篇内容思路：
引入元类——>查看isa走势图——>isa的指向的根源objc_class——>输出objc_class的bits属性——>在bits中找到属性、方法、成员变量、并在元类中找到类方法——>从而清晰的分析了大致的类的结构