iOS底层原理总结 - 探寻OC对象的本质

作者：xx_cc
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面试题：一个NSObject对象占用多少内存？

探寻OC对象的本质，我们平时编写的Objective-C代码，底层实现其实都是C\C++代码。

OC的对象结构都是通过基础C\C++的结构体实现的。

我们通过创建OC文件及对象，并将OC文件转化为C++文件来探寻OC对象的本质

#import <Foundation/Foundation.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSObject *objc = [[NSObject alloc] init];
        
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

我们看一下NSObject_IMPL内部

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};
// 查看Class本质
typedef struct objc_class *Class;
我们发现Class其实就是一个指针，对象底层实现其实就是这个样子。

思考： 一个OC对象在内存中是如何布局的。

NSObjcet的底层实现，点击NSObjcet进入发现NSObject的内部实现

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
@end

那么这个结构体占多大的内存空间呢，我们发现这个结构体只有一个成员，isa指针，而指针在64位架构中占8个字节。也就是说一个NSObjec对象所占用的内存是8个字节。到这里我们已经可以基本解答第一个问题。但是我们发现NSObject对象中还有很多方法，那这些方法不占用内存空间吗？其实类的方法等也占用内存空间，但是这些方法所占用的存储空间并不在NSObject对象中。

为了探寻OC对象在内存中如何体现，我们来看下面一段代码

NSObject *objc = [[NSObject alloc] init];

上面一段代码在内存中如何体现的呢？上述一段代码中系统为NSObject对象分配8个字节的内存空间，用来存放一个成员isa指针。那么isa指针这个变量的地址就是结构体的地址，也就是NSObjcet对象的地址。
假设isa的地址为0x100400110，那么上述代码分配存储空间给NSObject对象，然后将存储空间的地址赋值给objc指针。objc存储的就是isa的地址。objc指向内存中NSObject对象地址，即指向内存中的结构体，也就是isa的位置。

自定义类的内部实现

@interface Student : NSObject{
    
    @public
    int _no;
    int _age;
}
@end
@implementation Student

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        Student *stu = [[Student alloc] init];
        stu -> _no = 4;
        stu -> _age = 5;
        
        NSLog(@"%@",stu);
    }
    return 0;
}
@end

按照上述步骤同样生成c++文件。并查找Student，我们发现Student_IMPL

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

发现第一个是 NSObject_IMPL的实现。而通过上面的实验我们知道NSObject_IMPL内部其实就是Class isa

那么我们假设 struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; 等价于 Class isa;

可以将上述代码转化为

struct Student_IMPL {
    Class *isa;
    int _no;
    int _age;
};

因此此结构体占用多少存储空间，对象就占用多少存储空间。因此结构体占用的存储空间为，isa指针8个字节空间+int类型_no4个字节空间+int类型_age4个字节空间共16个字节空间

Student *stu = [[Student alloc] init];
stu -> _no = 4;
stu -> _age = 5;

实际上想要获取对象占用内存的大小，可以通过更便捷的运行时方法来获取。

class_getInstanceSize([Student class])
NSLog(@"%zd,%zd", class_getInstanceSize([NSObject class]) ,class_getInstanceSize([Student class]));
// 打印信息 8和16

更复杂的继承关系

面试题：在64bit环境下， 下面代码的输出内容？

/* Person */
@interface Person : NSObject
{
    int _age;
}
@end

@implementation Person
@end

/* Student */
@interface Student : Person
{
    int _no;
}
@end

@implementation Student
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        NSLog(@"%zd  %zd",
              class_getInstanceSize([Person class]),
              class_getInstanceSize([Student class])
              );
    }
    return 0;
}

16 和 16 内存对齐，继承NSObject对象有一个isa指针。

OC对象的分类

面试题：OC的类信息存放在哪里。

面试题：对象的isa指针指向哪里。

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

/* Person */ 
@interface Person : NSObject <NSCopying>
{
    @public
    int _age;
}
@property (nonatomic, assign) int height;
- (void)personMethod;
+ (void)personClassMethod;
@end

@implementation Person
- (void)personMethod {}
+ (void)personClassMethod {}
@end

/* Student */
@interface Student : Person <NSCoding>
{
    @public
    int _no;
}
@property (nonatomic, assign) int score;
- (void)studentMethod;
+ (void)studentClassMethod;
@end

@implementation Student
- (void)studentMethod {}
+ (void)studentClassMethod {}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {      
        NSObject *object1 = [[NSObject alloc] init];
        NSObject *object2 = [[NSObject alloc] init];

        Student *stu = [[Student alloc] init];
        [Student load];

        Person *p1 = [[Person alloc] init];
        p1->_age = 10;
        [p1 personMethod];
        [Person personClassMethod];
        Person *p2 = [[Person alloc] init];
        p2->_age = 20;
    }
    return 0;
}

OC的类信息存放在哪里

OC对象主要可以分为三种

instance对象（实例对象）

class对象（类对象）

meta-class对象（元类对象）

instance对象就是通过类alloc出来的对象，每次调用alloc都会产生新的instance对象

NSObjcet *object1 = [[NSObjcet alloc] init];
NSObjcet *object2 = [[NSObjcet alloc] init];

object1和object2都是NSObject的instace对象（实例对象），但他们是不同的两个对象，并且分别占据着两块不同的内存。

instance对象在内存中存储的信息包括

1.isa指针

2.其他成员变量

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衍生问题：在上图实例对象中根本没有看到方法，那么实例对象的方法的代码放在什么地方呢？那么类的方法的信息，协议的信息，属性的信息都存放在什么地方呢？

class对象

我们通过class方法或runtime方法得到一个class对象。class对象也就是类对象

Class objectClass1 = [object1 class];
Class objectClass2 = [object2 class];
Class objectClass3 = [NSObject class];

// runtime
Class objectClass4 = object_getClass(object1);
Class objectClass5 = object_getClass(object2);
NSLog(@"%p %p %p %p %p", objectClass1, objectClass2, objectClass3, objectClass4, objectClass5);

每一个类在内存中有且只有一个class对象。可以通过打印内存地址证明

class对象在内存中存储的信息主要包括

1.isa指针

2.superclass指针

3.类的属性信息（@property），类的成员变量信息（ivar）

4.类的对象方法信息（instance method），类的协议信息（protocol）

1434508-c3527113c4cc1c08.png

类方法放在那里？

元类对象 meta-class

//runtime中传入类对象此时得到的就是元类对象
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
// 而调用类对象的class方法时得到还是类对象，无论调用多少次都是类对象
Class cls = [[NSObject class] class];
Class objectClass3 = [NSObject class];
class_isMetaClass(objectMetaClass) // 判断该对象是否为元类对象
NSLog(@"%p %p %p", objectMetaClass, objectClass3, cls); // 后面两个地址相同，说明多次调用class得到的还是类对象

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

类的类方法的信息（class method）

meta-class对象和class对象的内存结构是一样的，所以meta-class中也有类的属性信息，类的对象方法信息等成员变量，但是其中的值可能是空的。

对象的isa指针指向哪里

当对象调用实例方法的时候，我们上面讲到，实例方法信息是存储在class类对象中的，那么要想找到实例方法，就必须找到class类对象，那么此时isa的作用就来了。

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。

当类对象调用类方法的时候，同上，类方法是存储在meta-class元类对象中的。那么要找到类方法，就需要找到meta-class元类对象，而class类对象的isa指针就指向元类对象

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

当对象调用其父类对象方法的时候，又是怎么找到父类对象方法的呢？，此时就需要使用到class类对象superclass指针。

当Student的instance对象要调用Person的对象方法时，会先通过isa找到Student的class，然后通过superclass找到Person的class，最后找到对象方法的实现进行调用，同样如果Person发现自己没有响应的对象方法，又会通过Person的superclass指针找到NSObject的class对象，去寻找响应的方法

当类对象调用父类的类方法时，就需要先通过isa指针找到meta-class，然后通过superclass去寻找响应的方法

当Student的class要调用Person的类方法时，会先通过isa找到Student的meta-class，然后通过superclass找到Person的meta-class，最后找到类方法的实现进行调用

本文面试题总结：

一个NSObject对象占用多少内存？

答：一个指针变量所占用的大小（64bit占8个字节，32bit占4个字节）

对象的isa指针指向哪里？

答：instance对象的isa指针指向class对象，class对象的isa指针指向meta-class对象，meta-class对象的isa指针指向基类的meta-class对象，基类自己的isa指针也指向自己。

OC的类信息存放在哪里？

答：成员变量的具体值存放在instance对象。对象方法，协议，属性，成员变量信息存放在class对象。类方法信息存放在meta-class对象。