Objective-C的本质

2018-05-18 CocoaChina

众说周知,我们平时编写的OC代码,底层都是C/C++实现的



我们可以通过一个终端指令,将我们的OC代码转换成C/C++代码

xcrun-sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc 文件名 -o 输出的CPP文件


例如:

xcrun-sdkiphoneosclang-archarm64-rewrite-objcmain.m-omain.cpp


思考一:OC的对象、类都是基于C/C++什么数据结构实现的??


首先看下面代码:

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

@interfaceStudent:NSObject
{
   @public
   int_age;
   int_no;
}
@end

@implementationStudent
@end

intmain(intargc,constchar* argv[]) {
   @autoreleasepool{
       Student *stu = [[Student alloc] init];
    
       stu->_age =4;
       stu->_no =5;
     
       NSLog(@"%@", stu);
    
       NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObjectclass]));
       NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([Studentclass]));
   }
   return0;
}


通过终端命令生成.cpp文件

xcrun-sdkiphoneosclang-archarm64-rewrite-objcmain.m-omain.cpp


我们发现Student和NSObject的底层实现代码如下:

structStudent_IMPL{
   structNSObject_IMPLNSObject_IVARS;
   int_age;
   int_no;
};

structNSObject_IMPL{
   Class isa;
};


所以,OC的对象、类都是基于C/C++当中结构体实现的。


那么,一个NSObject对象占用多少内存呢?


通过以上代码,我们发现一个NSObject对象占用的内存大小是一个指针变量所占用的大小(64bit,8个字节。32bit,4个字节)


同样可以通过代码检验


方法一:通过runtime方法检验

NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([NSObjectclass]));


终端打印结果:

2018-03-1312:02:26.584356+0800TestDemo[33726:1665977]8


方法二:实时查看内存数据

Debug-> Debug Workfllow -> View Memory (Shift + Command + M)




输入内存地址:



同样发现一个Student占16个字节,其中指针占了8个字节


方法三:可以通过lldb命令查看


常用lldb命令



查看结果如下:

(lldb) x/4xw 0x102c0a590
0x102c0a590: 0x000011c9 0x001d8001 0x00000004 0x00000005


还可以通过lldb命令修改对象的值:



类、实例对象、元类(class、instance、meta-class)


类(class)

类:类是现实世界或思维世界中的实体在计算机中的反映,它将数据以及这些数据上的操作封装在一起(百科上的回答)。简单的说就是数据及行为的封装


通过查阅 Apple 官方开源的 objc 源码,可以看到类的数据结构如下:

structobjc_class:objc_object {
   // Class ISA;
   Class superclass;
   cache_tcache;            // formerly cache pointer and vtable
   class_data_bits_tbits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

   class_rw_t*data() {
       returnbits.data();
   }
   voidsetData(class_rw_t*newData){
       bits.setData(newData);
   }

   ...
   ...
   ...(省略)
}


structclass_rw_t{
   // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
   uint32_tflags;
   uint32_tversion;

   constclass_ro_t*ro;

   method_array_tmethods;// 方法信息
   property_array_tproperties;    // 属相信息
   protocol_array_tprotocols;    // 协议信息

   Class firstSubclass;
   Class nextSiblingClass;
   
   ...
   ...
   ...(省略)


structclass_ro_t{
   uint32_tflags;
   uint32_tinstanceStart;
   uint32_tinstanceSize;  // 对象占用的内存大小
#ifdef__LP64__
   uint32_treserved;
#endif

   constuint8_t* ivarLayout;
   
   constchar* name;  // 类名
   method_list_t* baseMethodList;
   protocol_list_t* baseProtocols;
   constivar_list_t* ivars;  // 成员变量列表

   constuint8_t* weakIvarLayout;
   property_list_t*baseProperties;

   method_list_t*baseMethods()const{
       returnbaseMethodList;
   }
};


通过以上代码我们发现Class对象在内存中存储的信息主要包括:


  • isa指针

  • superclass指针

  • 属性信息

  • 协议信息


同时我们发现objc_class 继承自 objc_object,哈哈,其实类也是一个对象。。。

NSObject*obj1 = [[NSObjectalloc] init];
       NSObject*obj2 = [[NSObjectalloc] init];
     
       Class objClass1 = [obj1class];
       Class objClass2 = [obj2class];
       Class objClass3 = [NSObjectclass];
       Class objClass4 = object_getClass(obj1);
       Class objClass5 = object_getClass(obj2);
     
       NSLog(@"\n%p\n%p\n%p\n%p\n%p\n%p\n%p\n", obj1, obj2, objClass1, objClass2, objClass3, objClass4, objClass5);



通过以上试验,我们发现,NSObject生成两个实例对象obj1、obj2,这两个实例对象分布在不同的内存地址,但是他们的Class指针是一样的,所以我们得出以下结论:


  • objClass1 ~ objClass5都是NSObject的class对象(类对象)

  • 它们是同一个对象。每个类在内存中有且只有一个class对象


实例对象(instance)


对象:对象是具有类类型的变量(百科)。其实对象就是一个类的具体实例。在 Objective-C 中,含有一个 isa 指针并且可以正确指向某个类的数据结构,都可以视作为一个对象,其中 isa 指针指向当前对象所属的类,通过苹果开源的官方文档,同样可以发现它的数据结构,如下代码:

structobjc_object{
private:
   isa_tisa;

public:

   // ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
   ClassISA();

   // getIsa() allows this to be a tagged pointer object
   ClassgetIsa();

   // initIsa() should be used to init the isa of new objects only.
   // If this object already has an isa, use changeIsa() for correctness.
   // initInstanceIsa(): objects with no custom RR/AWZ
   // initClassIsa(): class objects
   // initProtocolIsa(): protocol objects
   // initIsa(): other objects
   voidinitIsa(Class cls/*nonpointer=false*/);
   voidinitClassIsa(Class cls/*nonpointer=maybe*/);
   voidinitProtocolIsa(Class cls/*nonpointer=maybe*/);
   voidinitInstanceIsa(Class cls,boolhasCxxDtor);
 
   ...
   ...
   ...(省略)
}


其实上面代码中obj1、obj2就是NSObject生成的两个实例对象,不同的对象分别占据两块不同的内存。


通过查看对象的底层代码,同样可以发现,对象在内存中的存储信息包含:


  • isa指针

  • 其它成员变量的值等


就比如多个对象存在相同的属性,但是属性的值却存在不同的对象当中。


元类(meta-class)


元类:元类其实就是描述类对象的类。简单的说就是类描述的是对象,而元类描述的是类。所以元类也定义了类的行为(类方法),其实元类的数据结构和类基本相同,只不过元类定义类的行为是类方法(+),而对象是对象方法(-)。原理都是遍历方法列表或者缓存列表

ClassobjMetaClass1 = objc_getMetaClass("NSObject");
ClassobjMetaClass2 = object_getClass([NSObject class]);



objMetaClass1、objMetaClass2就是NSObject的meta-class对象(元类对象)


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

  • 类的类方法信息(class method)等

  • 查看class是否为meta-class

BOOLresult = class_isMetaClass([NSObjectclass]);


方法的调用流程


通过以上信息我们就了解到了类、对象、元类之间的关系,那么类方法和对象方法的调用过程是怎样的呢??如下图所示:



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


class的isa指向meta-class:

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


superclass的作用


当一个对象调用父类方法时,其实就是通过isa找到class,然后通过superclass找到父类的class,最后找到对象方法的实现进行调用(类方法调用也是这个原理,通过isa找到meta-class,然后通过superclass找到父类的meta-class,最后找到类对象的实现进行调用)


isa和superclass的调用流程


Greg Parker的一份精彩图谱


通过上图可以总结如下:


  • instance的isa指向class

  • class的isa指向meta-class

  • meta-class的isa指向基类的meta-class

  • class的superclass指向父类的class

  • 如果没有父类,superclass指针为nil

  • meta-class的superclass指向父类的meta-class

  • 基类的meta-class的superclass指向基类的class

  • 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

  • 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


作者:czj_warrior

链接:https://www.jianshu.com/p/e1993bf4ff58


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