iOS底层原理总结 - 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？

示例代码

#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

  1. instance对象（实例对象）
  2. class对象（类对象）
  3. 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
instance(实例)对象内存

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）
    类的对象方法信息（instance method），类的协议信息（protocol）
class(类)对象在内存中的存储信息图
成员变量的值时存储在实例对象中的，因为只有当我们创建实例对象的时候才为成员变赋值。但是成员变量叫什么名字，是什么类型，只需要有一份就可以了。所以存储在class对象中。

类方法放在那里？

答：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

  1. isa指针
  2. superclass指针
  3. 类的类方法的信息（class method）
meta-class(元类)对象在内存存储的信息图例
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？
  1. 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。
[stu studentMethod];

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。

  1. 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
[Student studentClassMethod];
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


isa指针指向图
  1. 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。
[stu personMethod];
[stu init];

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


对象调用父类对象方法图例
  1. 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

经过上面的分析我们在来看这张isa指向图，就显得清晰明了很多。


经典的isa指向图
对isa、superclass总结
  1. instance的isa指向class
  2. class的isa指向meta-class
  3. meta-class的isa指向基类的meta-class，基类的isa指向自己
  4. class的superclass指向父类的class，如果没有父类，superclass指针为nil
  5. meta-class的superclass指向父类的meta-class，基类的meta-class的superclass指向基类的class
  6. 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
  7. 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

如何证明isa指针的指向真的如上面所说？

我们通过如下代码证明：

NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
Class objectClass = [NSObject class];
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);
        
NSLog(@"%p %p %p", object, objectClass, objectMetaClass);

打断点并通过控制台打印相应对象的isa指针


打印object的isa指针和objectClass的地址

我们发现object->isa与objectClass的地址不同，这是因为从64bit开始，isa需要进行一次位运算，才能计算出真实地址。而位运算的值我们可以通过下载objc源代码找到。

ISA_MASK

我们通过位运算进行验证。


isa通过位运算计算出正确的地址

我们发现，object-isa指针地址0x001dffff96537141经过同0x00007ffffffffff8位运算，得出objectClass的地址0x00007fff96537140

接着我们来验证class对象的isa指针是否同样需要位运算计算出meta-class对象的地址。
当我们以同样的方式打印objectClass->isa指针时，发现无法打印


p/x objectClass->isa

同时也发现左边objectClass对象中并没有isa指针。我们来到Class内部看一下

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

相信了解过isa指针的对objc_class结构体内的内容很熟悉了，今天这里不深入研究，我们只看第一个对象是一个isa指针，为了拿到isa指针的地址，我们自己创建一个同样的结构体并通过强制转化拿到isa指针。

struct xx_cc_objc_class{
    Class isa;
};

Class objectClass = [NSObject class];
struct xx_cc_objc_class *objectClass2 = (__bridge struct xx_cc_objc_class *)(objectClass);

此时我们重新验证一下


objectClass2->isa

确实，objectClass2的isa指针经过位运算之后的地址是meta-class的地址。

本文面试题总结：

  1. 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）

  2. 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。

  3. 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。

iOS底层原理总结 - 文集

文中如有总结不对、不到位的地方欢迎指出。谢谢~

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