【iOS】类与对象底层探索

文章目录

  • 前言
  • 一、编译源码
  • 二、探索对象本质
  • 三、objc_setProperty 源码探索
  • 四、类 & 类结构分析
    • isa指针是什么
    • 类的分析
    • 元类
    • 元类的说明
  • 五、著名的isa走位 & 继承关系图
  • 六、objc_class & objc_object
    • objc_class结构
    • superClass
    • bits
    • class_rw_t
    • class_ro_t
    • ro与rw的区别
    • class_rw_ext_t
    • cache_t结构
  • 总结


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clangmain.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

在这里插入图片描述

// 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  0x00007ffffffffff8ULLCJLPerson *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
在这里插入图片描述

根据调试过程,我们产生了一个疑问:为什么图中的p/x 0x001d8001000022dd & 0x00007ffffffffff8ULLp/x 0x00000001000022b0 & 0x00007ffffffffff8ULL 中的类信息打印出来都是CJLPerson

  • 0x001d8001000022ddperson对象的isa指针地址,其&后得到的结果是 创建person的类CJLPerson
  • 0x00000001000022b0isa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?

在这里插入图片描述
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
在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述
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Classisa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
在这里插入图片描述
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
在这里插入图片描述

【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 vtableclass_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 fieldconst class_ro_t *safe_ro() const {class_rw_t *maybe_rw = data();if (maybe_rw->flags & RW_REALIZED) {// maybe_rw is rwreturn maybe_rw->ro();} else {// maybe_rw is actually roreturn (class_ro_t *)maybe_rw;}}
}

其中最重要的两个方法就是datasafe_ro,两个方法分别返回class_rw_tclass_ro_t

class_rw_t

在这里插入图片描述
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

在这里插入图片描述
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?

  1. 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
  2. 符合消息转发机制
  3. 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

  1. 所有对象都有isa属性
  2. 所有对象都是由objc_object继承而来的
  3. 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
  4. isa 指针指向对象所属的类
  5. 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

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