iOS底层探究-类的结构分析

前言

上篇博客说完了对象的成员博客-isa结构分析,今天我们来研究一下对象的爸爸，他就是类，相信大家都知道对象是由一个类通过调用(alloc init new)等方法创建的。那么类里面都有哪些默认属性，今天我们就通过代码来看一下。

1.代码

我们打开之前博客用到的objc源码的项目，objc源码地址Source Browser，然后在main.m文件新建两个类Farther和Son，Son继承于Father，Father继承于NSObject，代码如下。


#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/objc.h>

@interface Father : NSObject
{
    NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;

- (void)sayHi;
+ (void)sayGoodBye;
@end
@implementation Father
- (void)sayHi {
    NSLog(@"%s", __func__);
}
+ (void)sayGoodBye {
    NSLog(@"%s", __func__);
}
@end

@interface Son : Father
@end
@implementation Son
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        Son *s = [[Son alloc] init];
        s.name = @"张山";
    }
    return 0;
}

然后我们用Clang编译器编译main.m文件 成main.cpp，具体方法在上篇博客里面，链接在上面。
然后我们打开main.cpp文件，全局搜索struct objc_object,然后发现7660行定义了*Class是继承于结构体objc_class。

image.png

接下来我们在代码里找不到objc_class定义了，这个时候我们就得去找苹果提供开源的objc4-781源码了，在苹果网站下载Source Browser
在源码里直接搜索struct objc_class，然后定位到 objc-runtime-new.h 文件

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() const {
        return bits.data();
    }
    
    // 省略部分代码.......
}

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

我们发现找到了结构体objc_class的定义，它继承于objc_object,万物皆对象，万物皆继承objc_object，类之间的继承关系如下图，最后都走向了root class也就是NSObject->objc_class->objc_object

image.png

image.png

我们接下来看下objc_class里面定义哪些成员。
1.isa 指针(继承自objc_object)
2.Class superclass;指针
3.cache_t cache;缓存指针和函数表
4.class_data_bits_t bits;class_rw_t加上自定义的属性、方法，初始化的标记..

1.isa 指针

这个不多讲了，之前博客讲过isa的用途和结构

2.Class superclass;指针

superclass也就是字面意思，它指向这个类的父类，比如上面LGSon里面的superclass就会指向它的父类LGFather，LGFather里面的superclass就会指向所有类的根父类NSObject。

3.cache缓存

cache 结构为 cache_t，其定义如下:

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;
    explicit_atomic<mask_t> _mask;
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;
    
#if __LP64__
    uint16_t _flags;
#endif
    uint16_t _occupied;
}

// 省略部分代码...

在这里我们计算一下cache所占用内存大小，其中if elseif两个走向都是16字节。那么cache就是占16字节。接下来要用到。

image.png

4.bits

bits 的数据结构类型是 class_data_bits_t，同时也是一个结构体类型。它存储着类的属性，实例方法等等，接下来我们就来验证一下。
我们都知道对象的指针指向对象的首地址也就是第一个属性isa。而对象的存储是连续的，也就是从isa地址往后打印就是对象的其他数据成员，而类对象也是对象，第一个isa8字节，superclass指针也是8字节，cache上面计算了是16字节，加起来是32字节，那么bit所在内存地址应该是对象首地址+32字节。
我们随意打个断点，然后控制台输入命令p/x LGFather.class打印类对象LGFather的16进制地址得到0x0000000100002320。

image.png

然后我们拿首地址0x0000000100002320+32，32是十进制转成16进制是0x20,0x0000000100002320 + 0x20 = 0x0000000100002340,我们打印下这个地址验证一下。

image.png

我们看到objc_class里面的data()返回的bits里面的data。然后我们继续p *$2打印$2 = 0x0000000101104f50地址里面存储什么数据,发现看不懂，但是我们看到$2的数据类型是class_rw_t,我们在源码项目里全局搜索下，发现它是一个结构体。

struct class_rw_t {
    // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
    uint32_t flags;
    uint16_t witness;
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    uint16_t index;
#endif

    explicit_atomic<uintptr_t> ro_or_rw_ext;

    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;

private:
    using ro_or_rw_ext_t = objc::PointerUnion<const class_ro_t *, class_rw_ext_t *>;

    const ro_or_rw_ext_t get_ro_or_rwe() const {
        return ro_or_rw_ext_t{ro_or_rw_ext};
    }

    void set_ro_or_rwe(const class_ro_t *ro) {
        ro_or_rw_ext_t{ro}.storeAt(ro_or_rw_ext, memory_order_relaxed);
    }

    void set_ro_or_rwe(class_rw_ext_t *rwe, const class_ro_t *ro) {
        // the release barrier is so that the class_rw_ext_t::ro initialization
        // is visible to lockless readers
        rwe->ro = ro;
        ro_or_rw_ext_t{rwe}.storeAt(ro_or_rw_ext, memory_order_release);
    }

    class_rw_ext_t *extAlloc(const class_ro_t *ro, bool deep = false);

public:
    void setFlags(uint32_t set)
    {
        __c11_atomic_fetch_or((_Atomic(uint32_t) *)&flags, set, __ATOMIC_RELAXED);
    }

    void clearFlags(uint32_t clear) 
    {
        __c11_atomic_fetch_and((_Atomic(uint32_t) *)&flags, ~clear, __ATOMIC_RELAXED);
    }

    // set and clear must not overlap
    void changeFlags(uint32_t set, uint32_t clear) 
    {
        ASSERT((set & clear) == 0);

        uint32_t oldf, newf;
        do {
            oldf = flags;
            newf = (oldf | set) & ~clear;
        } while (!OSAtomicCompareAndSwap32Barrier(oldf, newf, (volatile int32_t *)&flags));
    }

    class_rw_ext_t *ext() const {
        return get_ro_or_rwe().dyn_cast<class_rw_ext_t *>();
    }

    class_rw_ext_t *extAllocIfNeeded() {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (fastpath(v.is<class_rw_ext_t *>())) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>();
        } else {
            return extAlloc(v.get<const class_ro_t *>());
        }
    }

    class_rw_ext_t *deepCopy(const class_ro_t *ro) {
        return extAlloc(ro, true);
    }

    const class_ro_t *ro() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (slowpath(v.is<class_rw_ext_t *>())) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>()->ro;
        }
        return v.get<const class_ro_t *>();
    }

    void set_ro(const class_ro_t *ro) {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            v.get<class_rw_ext_t *>()->ro = ro;
        } else {
            set_ro_or_rwe(ro);
        }
    }

    const method_array_t methods() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>()->methods;
        } else {
            return method_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseMethods()};
        }
    }

    const property_array_t properties() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>()->properties;
        } else {
            return property_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseProperties};
        }
    }

    const protocol_array_t protocols() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>()->protocols;
        } else {
            return protocol_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseProtocols};
        }
    }
};

我们把目光放在倒数最后三个函数声明，发现很眼熟，method_array_t methods() property_array_t properties() protocol_array_t protocols()，这不就是方法数组，属性数组，协议数组嘛，接下来我们就对$2调用method_array_t methods() property_array_t properties()两个函数试试。

image.png

我们看到输出了property_array_t结构的数据，里面有个list,我们继续打印list看看。
image.png

发现他是一个指针，我们打印下指针指向的数据看看。
image.png

OK，我们看到了LGFather的属性name，果然如我们猜测，类成员属性放在了bits里面，我们如火炮制的再看看打印methods()。
image.png

发现实例方法真的也保存在bits里面，我们看到方法数组里面count为4，第一个方法为sayHi,那我们继续打印第2，3，4个方法看看能否找到类方法sayGoodbye。
image.png

我们发现除了属性name的get set方法外没有其他方法了，我们的sayGoodbye类方法存放到哪里呢？欲知后事如何，请听下回分解。

结论

万物皆对象：类的本质就是对象
类在 class_rw_t 结构中存储了编译时确定的属性、方法和协议等内容。
实例方法存放在类中

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