iOS底层-类的三顾茅庐（一）

前言

了解完对象的底层，知道isa指向的是类对象。那么类（Class）的本质究竟是什么？本文顺序isa的指向，探索类的继承链，和类对象的结构，并且尝试获取方法和变量的存放位置。

类的继承链

实例对象存储的isa指针，占8字节，并指向所属的类。这里通过3中不同的方式打印一下isa内容：

可以看到都是同个对象，这说明类对象有且仅有一个。它是Class类型的。

isa的指向

在源码中搜索一下：实际上类对象就是objc_class这么一个结构体。

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

那么为什么说类也是个对象？你看他有isa指针，还继承了objc_object，这结构体同时也是对象的本质。

这就说明和对象一样了，不同的是，类对象的isa指针指向哪里呢？元类对象。接下来是证明。

首先获得类对象：

接着用x/4gx打印类对象的内存地址，以及它的isa地址并打印：发现还是原来那个类？？？

这打破了前面的认知，是类对象不唯一？其实这就是FFGoods的元类。捋一下，实例对象的isa指向类对象，类对象的isa指向元类对象。

元类也是一个objc_class，也有一个isa指针；继续打印看看：

这和我们认识的NSObeject，是不是一回事呢？我再通过p/x NSObject.class打印一下地址，发现并不一样：

继续通过 x/4gx 打印NSObject的类对象及其isa指向的类对象：

最终这个和前面元类的地址一样，这就是对象根类NSObject的元类，也叫根元类（它还是NSObject）。

捋一捋：元类对象的isa指向根元类，根类NSObject的指针也指向根元类。

那么根元类有没有isa，有的话指向哪里？没有什么是LLDB不能打印的：

原来，根元类的isa是指向自身！isa不是应该包含对象相关信息吗，这里怎么直接等于自身内存地址了？

isa是一个指针只是用来存储内存地址，根元类或者元类没有引用计数，或者是否被弱引用。所以他们两的isa不是上篇文章说到的nonPointerIsa。

这样一来，isa的指向形成了一个闭环。

那么每个对象都能通过4个步骤找到根元类吗？先卖个关子，往下看。

类的继承

如果创建一个类，不继承NSObject？看个栗子：

发现对于子类FFToys来说，元类的父类 = 父类的元类？也就是说元类之间也保持继承关系。

接着看一下根类和根元类有没有父类：

根类NSObject没有父类，NSObject元类的父类竟然是NSObject的类对象。

再补充一下类对象之间的关系：子类的类对象的父类 = 父类的类对象

走位图

由此总结一下继承链，以自定义的父子类为例：

NSObject是objc的根类，所以它没有父类。根元类的父类都是NSObject。

再总结一下isa的走向：

类对象的结构

已知对象的本质是objc_object结构体，那么看一下类对象：其结构体objc_class也是继承objc_object

superclass是指向父类对象的指针，cache我打算之后的文章里单独讲。接下来打算读bits这个内存空间，这里涉及到内存平移的概念。

内存平移

开发中用到的指针，在内存中也需要有个地址来存放指针；举个栗子：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // 数组指针
        int c[4] = {5,6,7,9};
        int *d = c;
        NSLog(@"数组头指针:%p", &c);
        NSLog(@"通过下标获取元素的内存地址：%p - %p - %p - %p", &c[0], &c[1], &c[2], &c[3]);
        NSLog(@"通过地址偏移获取元素的内存地址：%p - %p - %p - %p", d, d + 1, d + 2, d + 3);
      
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            int value = *(d + i);
            NSLog(@"%d", value);
        }
    }
    return 0;
}

一般将c[4]看做数组指针，c指向数组的首地址；

通过*(d+i)就是一种内存平移。数组里存的是指针，取出第i个指针。

根据声明的int类型，每个指针在内存上相差4字节。

类信息的读写

再看类对象的首地址，通过内存平移32字节(isa + superclass +cache的大小)就拿到bits地址（指针类型class_data_bits_t *）

看到$3的这一串数字，显然我不知道它是啥。回顾它的结构体：

friend关键字难道是朋友关系？如果要访问一个类的私有成员，正常需要public关键字。c++提供的friend修饰符，和objc_class成为朋友。使其可以访问里面的私有数据；

参考：C++友元函数和友元类（C++ friend关键字）。友元类中的所有成员函数都是另外一个类的友元函数。例如将类 B 声明为类 A 的友元类，那么类 B 中的所有成员函数都是类 A 的友元函数，可以访问类 A 的所有成员，包括 public、protected、private 属性的。此时，B是objc_class，那么可以访问class_data_bits_t的所有成员。

注意：友元的关系是单向的、不能传递的。

调用一下公开的data()方法：

要看懂这些，还得翻一下class_rw_t源码：看到methods()应该就是方法列表：

一步步拿到方法列表的结构体，但是方法的数量对不上？属性name的get、set，以及实例的init方法加起来应该是3个。

跳转method_array_t：

DECLARE_AUTHED_PTR_TEMPLATE(method_list_t)

class method_array_t : 
    public list_array_tt<method_t, method_list_t, method_list_t_authed_ptr>
{
    typedef list_array_tt<method_t, method_list_t, method_list_t_authed_ptr> Super;

 public:
    method_array_t() : Super() { }
    method_array_t(method_list_t *l) : Super(l) { }

    const method_list_t_authed_ptr<method_list_t> *beginCategoryMethodLists() const {
        return beginLists();
    }
    
    const method_list_t_authed_ptr<method_list_t> *endCategoryMethodLists(Class cls) const;
};

跳转method_list_t：

原来是通过entsize_list_tt这个模板生成的：

在编程的世界里，是容器（container）都有迭代器（iterator），可以用来遍历这个容器。

根据上图的Element& get(uint32_t i)，试试get方法，但是拿到的对象不显示具体内容：

找到method_t，对于一个方法，应该有sel方法名，还有imp方法实现。

这里面的big结构体正好就有我们需要的内容，接下来分别获取方法和属性列表。

大小端

这里看到读取的big的公开方法：

有个isSmall()的判断是什么？iOS系统是分大小端，intel电脑是大端模式，arm架构的是小端模式。

**大端：**数据的高位字节存储在内存的低地址端，低位字节存储在内存的高地址端。

**小端：**数据的低位字节存储在内存的低地址端，高位字节存储在内存的高地址端。

举个例子，比如，我们要存储一个16进制数0x12345678，从内存地址0x1001开始存放。内存最低操作单元是字节，每个内存地址存放1字节的大小，而16进制数的2位等于1字节，所以总共要4个内存地址存放（地址低的是高位）。

// 1字节 = 8位(二进制)，
// 而一位16进制转二进制是4位，例如 15 = 0xf = 1111 = 8 + 4 + 2 + 1

具体内容：

内存地址	大端模式存放	小端模式存放
0x1001	0x12	0x78
0x1002	0x34	0x56
0x1003	0x56	0x34
0x1004	0x78	0x12

用大端系统下的计算器表示：

换算：

0001 0010 = 0x12; 
0011 0100 = 0x34; 
0101 0110 = 0x56; 
0111 1000 = 0x78;

实例方法

（大端设备）逐个读取方法：

这多出来的.cxx_destruct是什么？我搜到的是析构方法，在ARC模式下用于释放成员变量的。当类拥有成员变量的时候，就会自带这个方法。包括属性自动生成的成员变量也算。

类方法

类对象里只有实例方法，类方法应该是存放在元类里。

接着就通过获取元类的class_rw_t结构中的方法列表来验证一下。

可以看到元类的方法列表里只有这个类方法。

图中涉及的指令：

// x/6gx meta
// p/x (class_data_bits_t *)0x100008220
// p *$1
// p $2.data()
// p *$3
// p $4.methods()
// p $5.list
// p $6.ptr
// p *$7
// p $8.get(0).big()

属性

同理可得属性列表。

class property_array_t : 
    public list_array_tt<property_t, property_list_t, RawPtr>
{
    typedef list_array_tt<property_t, property_list_t, RawPtr> Super;

 public:
    property_array_t() : Super() { }
    property_array_t(property_list_t *l) : Super(l) { }
};
// 跳转 property_list_t
struct property_list_t : entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> {
};

调试如下：p/x $5.properties()

超过属性数量的时候就出现Assertion failed。

如果给类添加成员变量，会不会出现在属性列表里呢？修改，重试一遍：

属性列表里数量没变，也就是没有成员变量_privateProperty。欲知后事如何，且听下回分解。iOS底层专栏

总结

isa指向

实例对象 -> 类对象 -> 元类 -> 根元类 -> 根元类自身。

类的继承链

对于NSObject、父类、子类，他们的类对象、元类对象都保持继承关系。

根元类的父类就是NSObject类对象。

NSObject类对象是万类之祖，没有父类。

类对象

类对象本质为objc_class结构体，有且只有一个。存储了isa、superclass(父类)、bits(属性、实例方法、协议、成员变量)、cache(方法缓存)。

class_rw_t

初步认为类的信息存储在class_rw_t结构体中，已经验证包含了属性和方法。

entsize_list_tt

entsize_list_tt 是个模板，可以实例化出method_list_t、ivar_list_t、property_list_t三种类型。

// Element：表示元素类型 List：表示容器类型 FlagMask：标记位
template <typename Element, typename List, uint32_t FlagMask, typename PointerModifier = PointerModifierNop>

.cxx_destruct

.cxx_destruct方法是在ARC模式下用于释放成员变量的。只有当前类拥有实例变量时这个方法才会出现，property生成的实例变量也算，且父类的实例变量不会导致子类拥有这个方法。

大小端

大端的意思就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。小端就相反。