Objective-C(八)对象的本质及分类

本文是Objective-C系列的第8篇,主要讲述OC对象的底层结构,以及分类:实例对象、类对象、元类对象。

在上一篇Objective-C(七)对象内存分析分析后,我们得知了一个类在内存中的存储。

但是,我们只分析了类的成员变量和属性,我们知道,一个OC对象,还包括方法、协议等极其重要的信息,那么它们在哪里,又是如何存储,如何用的呢?

本篇在此进一步分析Objective-C类体系的分类及其在内存中的完整分布。

为此,我们先要进行一些准备工作。

一、准备

1.1 对象的分类

Objective-C中的对象,简称OC对象,主要可以分为3种:

  • instance对象(实例对象)

  • class对象(类对象)

  • meta-class对象(元类对象)

我们针对OC中对象分为三种进行了测试,测试结果如下:

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从上图我们可以得到以下结论:

  • 实例对象可以有多个:每alloc一个对象,就会创建一个实例对象;
  • 类对象只能有一个:不同实例对象的类对象为同一个;
  • 元类对象只能有一个:不同实例对象(类对象)的元类对象只有一个;

那么测试代码中的几个方法,下面也简要说明下,部分截取源码项目-BFOCClass分类-01

1.1.1 [NSObject class]

NSObject.mm中:

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+ (Class)class {
return self;
}

返回类对象(元类对象)本身。

所以,[[[NSObject class] class] class] 无论调用多少次class,其返回都是NSObject class对象。

1.1.2 [person1 class]

返回实例对象的类对象

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- (Class)class {
return object_getClass(self);
}

由(2)中可知,

  • [person1 class]:返回person1中isa指向的对象,就是BFPerson class对象;

1.1.3 objc_getClass

该方法与object_getClass从方法名看极其相似。

  • 参数:字符串类名;
  • 返回:对应的类对象。
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Class objc_getClass(const char *aClassName)
{
if (!aClassName) return Nil;
// NO unconnected, YES class handler
return look_up_class(aClassName, NO, YES);
}

1.1.4 object_getClass

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Class object_getClass(id obj)
{
if (obj) return obj->getIsa();
else return Nil;
}

返回传入objisa所指向的对象,传入的obj可能是instance对象、class对象、meta-class对象

其返回值对应为:

a) 如果是instance对象,返回class对象

b) 如果是class对象,返回meta-class对象

c) 如果是meta-class对象,返回NSObject(基类)的meta-class对象

所以上面测试中:

  • object_getClass(person1):返回即class对象;

  • object_getClass(personClass5):返回即meta-class对象;

1.1.5 class_isMetaClass

返回是否为meta-class对象。

1.2 一些从源码来的结构体

我们会从源码摘抄一部分结构体,用来进行后面的论证。

1.2.1 NSObject

NSObject从源码中得到,其第一个成员变量为isa,该Class结构体第一个成员变量名称也是isa

isa里则包含了(元)类信息的存放地址。

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1.2.2 class_rw_t

class_rw_tclass_ro_t均是存放类中信息的结构体,包括成员变量、属性列表、协议列表及方法列表,其具体如下:

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目前,我们class_ro_t当前类在编译期就已经确定的属性、方法以及遵循的协议

class_rw_t则是在运行时,runtime重新加载布局的当前类的属性、方法和协议等。

1.2.3 method_t

  • method_t是 方法最底层的结构。
  • method_list_t
    • 方法列表,一维数组
    • 内部存放method_t
    • class_ro_t中的成员变量。
  • method_array_t
    • 同样是方法列表,但是是二维数组
    • 内部存放method_t
    • class_rw_t中的成员变量;

三者的关系如下图:

image-20181122114848636

与method类似,property、protocol的类似。

至于为什么会有一维和二维数组,后续文章会详述该问题。

1.2.4 property_t

property_array_tproperty_list_t的结构与上面的method中的数组类似,分别是二维、一维数组。

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struct property_t {
const char *name; //属性名
const char *attributes; //字符串,表明了该属性的特性
};

假如属性名为name,类型为NSString,那么对应的attributes:T@”NSString”,C,N,V_name

1.2.5 protocol_t

protocol_array_tprotocol_list_t分别是存放protocol_t的二维及一维数组。

类似的,我们关注protocol_t结构体:

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struct protocol_t : objc_object {
const char *mangledName;
struct protocol_list_t *protocols;
method_list_t *instanceMethods;
method_list_t *classMethods;
method_list_t *optionalInstanceMethods;
method_list_t *optionalClassMethods;
property_list_t *instanceProperties;
uint32_t size; // sizeof(protocol_t)
uint32_t flags;
// Fields below this point are not always present on disk.
const char **_extendedMethodTypes;
const char *_demangledName;
property_list_t *_classProperties;
};

1.2.6 ivar_t

我们发现,针对成员变量,只有ivar_list_t,而没有ivar_array_t这样的结构。

从这里我们可以知道,就算是runtime,也无法在运行时往类中添加成员变量。

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struct ivar_t {
int32_t *offset;
const char *name;
const char *type;
// alignment is sometimes -1; use alignment() instead
uint32_t alignment_raw;
uint32_t size;
};

1.3 NSObject实例对象的内存

我们已经对NSObject实例对象的内存结构相当熟悉了。我们再阐述以下观点:

  • NSObject实例对象内存中有且只有一个变量为isa,isa指向NSObject的class对象;

下面,我们针对编译期isa,结合源码,我们得到如下:

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运行期的isa:

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二、对象的内存存储

上面,我们做了一些准备工作,了解了NSObject如何存储各种各样信息的结构体及存储在什么地方。

下面我们将会针对,三种类型做一个简单的描述。

2.1 instance对象

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其内存布局如下:

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instance对象在内存中存储的信息有:

  • isa指针
  • 其他成员变量

2.2 class对象

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class对象在内存中存储的信息主要包括

  • isa指针
  • superclass指针
  • 类的对象方法信息(instance method)
  • 类的属性信息(property)
  • 类的协议信息(protocol)
  • 类的成员变量信息(ivar)

2.3 meta-class对象

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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)
  • 其他包括属性、协议、成员变量均为NULL

三、isa和superclass

isa在平时开发中很少使用,但是相信很多iOS开发者并不陌生。

在前面了解了NSObject、各种结构体及对象三大分类之后,苹果为我们提供了的Cocoa/Cocoa Touch中,类蔟体系的建立依赖两个指针:isasuperclass。那么又是如何串联的?

横向联系:isa的作用就是,将某一个类的instance对象、class对象、meta-class对象建立了横向联系,为查找对象存储各类信息提供指引。

纵向联系:superclass则是面向对象语言中最为重要的特性——继承的体现,它体现的是类与类之间的联系,即为类图中建立了纵向联系

请注意区分:一个类各种对象之间的联系,以及不同类之间的联系!

3.1 isa

3.1.1 isa指针

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3.1.2 ISA_MASK

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我们为了验证该结论,在真机设备上,运行项目-BFOCClass分类-01,尝试获取了BFPerson对象,并打印类相关地址:

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BFPerson instance - 0x12fd1f570 0x12fd366e0
BFPerson class - 0x100091e28 0x100091e28 0x100091e28 0x100091e28 0x100091e28 0
BFPerson meta class - 0x100091e00 1 0x100091e28 0
(lldb) x/2xw 0x12fd1f570
0x12fd1f570: 0x00091e2d 0x000001a1

从上面打印我们得知:

  • person1实例对象的地址为0x12fd1f570
  • person1对象地址起始的8个字节,就是isa,此处为:0x1a100091e2d
  • BFPerson class 地址为0x100091e28不等于0x1a100091e2d
  • 0x1a100091e2d(isa) & 0x0000000ffffffff8(ISA_MASK) = 0x100091e28

3.2 superclass

3.2.1 class对象

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3.2.2 meta-class对象

image-20181123102215644

3.3 类图体系

据此,isasuperclass联手织起的下面这张类图:

class-superclas

3.3.1 联系

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

    • 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

3.3.2 方法调用

  1. 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
  2. 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

代码参考BFOCClass分类-01

继承关系:BFStudent->BFPerson->NSObject

3.3.2.1 情况1

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BFStudent *stu = [[BFStudent alloc] init];
[stu test];
  • BFStudent实现-(void)test;,调用BFStudent的实现方法;
  • BFStudent未实现-(void)test;,若BFPerson实现,调用BFPerson实现;
  • BFStudent和BFPerson均未实现,NSObject若实现,调用NSObject实现;

    • 以上都未实现,代码是不能直接调用[stu test];,会编译报错,需要改调用方式:

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      ((**void** (*)(**id**, **SEL**))objc_msgSend)(stu, **@selector**(test));
      • NSObject若实现+(void)test;,崩溃;
      • NSObject若实现-(void)test;,调用-(void)test;
  • 继承体现中的类,均未实现,崩溃—— -[BFStudent test]: unrecognized selector sent to instance

3.3.2.2 情况2

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[BFStudent test];
  • BFStudent实现+(void)test;,调用BFStudent的实现;

  • BFStudent未实现+(void)test;,若BFPerson实现,调用BFPerson实现;

  • BFStudent和BFPerson均未实现,调用NSObject实现;

    • 无法[BFStudent test];调用,调用方式需改为:

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      2
      Class stuClass = [BFStudent class];
      ((void (*)(id, SEL))objc_msgSend)(stuClass, @selector(test))
      • NSObject若实现+(void)test;,调用+(void)test;
      • NSObject若实现-(void)test;,调用-(void)test;
      • NSObject若实现+(void)test;-(void)test;,调用+(void)test;
  • 继承体现中的类,均未实现,崩溃—— +[BFStudent test]: unrecognized selector sent to instance

3.3.3 分析

针对情况1和2,大部分我们都能理解,但有一种情况。是有差别的。

在BFStudent和BFPerson中均未实现对应的对象方法(类方法)时,都会去NSObject中寻找。

  • 对象方法:NSObject寻找对应的对象方法,未找到对象方法,崩溃,参考下面的蓝色箭头。
  • 类方法:NSObject先寻找对应的类方法,未找到类方法,然后继续寻找对应的实例方法,若两者未找到,才会崩溃,见下面的黄色箭头。

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四、窥探对象完整的内部结构

到此,我们针对对象已经了解的差不多了,但是我们还是没有完整的看到运行时,对象的内部结构。

4.1 如何窥探

有两种方式:

我们采用方式二。

4.2 一探究竟

  1. 抽象出的结构体从这里下载。

  2. 导入后,将编译项目调整为命令行项目,并将main.m改为main.mm,以支持C++编译。

对应的项目源码

4.2.1 类对象

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4.2.2 元类对象

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现在,你知道OC对象的本质了吗?它们的分类呢?

参考

链接

  1. objc4
  2. Runtime(一)Runtime 简介

示例代码

  1. 本文源码项目-BFOCClass分类-01
  2. 本文源码项目-BFOCClass分类-02