iOSRuntimeisaClass

神经病院 Objective-C Runtime 入院第一天—— isa 和 Class

前言

我第一次开始重视Objective-C Runtime是从2014年11月1日,@唐巧老师在微博上发的一条微博开始。

这是sunnyxx在线下的一次分享会。会上还给了4道题目。

这4道题以我当时的知识,很多就不确定,拿不准。从这次入院考试开始,就成功入院了。后来这两年对Runtime的理解慢慢增加了,打算今天自己总结总结平时一直躺在我印象笔记里面的笔记。有些人可能有疑惑,学习Runtime到底有啥用,平时好像并不会用到。希望看完我这次的总结,心中能解开一些疑惑。

目录

  • 1.Runtime简介
  • 2.NSObject起源
    • (1) isa_t结构体的具体实现
    • (2) cache_t的具体实现
    • (3) class_data_bits_t的具体实现
  • 3.入院考试

一. Runtime简介

Runtime 又叫运行时,是一套底层的 C 语言 API,是 iOS 系统的核心之一。开发者在编码过程中,可以给任意一个对象发送消息,在编译阶段只是确定了要向接收者发送这条消息,而接受者将要如何响应和处理这条消息,那就要看运行时来决定了。

C语言中,在编译期,函数的调用就会决定调用哪个函数。
而OC的函数,属于动态调用过程,在编译期并不能决定真正调用哪个函数,只有在真正运行时才会根据函数的名称找到对应的函数来调用。

Objective-C 是一个动态语言,这意味着它不仅需要一个编译器,也需要一个运行时系统来动态得创建类和对象、进行消息传递和转发。

Objc 在三种层面上与 Runtime 系统进行交互:

1. 通过 Objective-C 源代码

一般情况开发者只需要编写 OC 代码即可,Runtime 系统自动在幕后把我们写的源代码在编译阶段转换成运行时代码,在运行时确定对应的数据结构和调用具体哪个方法。

2. 通过 Foundation 框架的 NSObject 类定义的方法

在OC的世界中,除了NSProxy类以外,所有的类都是NSObject的子类。在Foundation框架下,NSObject和NSProxy两个基类,定义了类层次结构中该类下方所有类的公共接口和行为。NSProxy是专门用于实现代理对象的类,这个类暂时本篇文章不提。这两个类都遵循了NSObject协议。在NSObject协议中,声明了所有OC对象的公共方法。

在NSObject协议中,有以下5个方法,是可以从Runtime中获取信息,让对象进行自我检查。

- (Class)class OBJC_SWIFT_UNAVAILABLE("use 'anObject.dynamicType' instead");
- (BOOL)isKindOfClass:(Class)aClass;
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)aClass;
- (BOOL)conformsToProtocol:(Protocol *)aProtocol;
- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector;

-class方法返回对象的类;
-isKindOfClass: 和 -isMemberOfClass: 方法检查对象是否存在于指定的类的继承体系中;
-respondsToSelector: 检查对象能否响应指定的消息;
-conformsToProtocol:检查对象是否实现了指定协议类的方法;

在NSObject的类中还定义了一个方法


- (IMP)methodForSelector:(SEL)aSelector;

这个方法会返回指定方法实现的地址IMP。

以上这些方法会在本篇文章中详细分析具体实现。

3. 通过对 Runtime 库函数的直接调用

关于库函数可以在Objective-C Runtime Reference中查看 Runtime 函数的详细文档。

关于这一点,其实还有一个小插曲。当我们导入了objc/Runtime.h和objc/message.h两个头文件之后,我们查找到了Runtime的函数之后,代码打完,发现没有代码提示了,那些函数里面的参数和描述都没有了。对于熟悉Runtime的开发者来说,这并没有什么难的,因为参数早已铭记于胸。但是对于新手来说,这是相当不友好的。而且,如果是从iOS6开始开发的同学,依稀可能能感受到,关于Runtime的具体实现的官方文档越来越少了?可能还怀疑是不是错觉。其实从Xcode5开始,苹果就不建议我们手动调用Runtime的API,也同样希望我们不要知道具体底层实现。所以IDE上面默认代了一个参数,禁止了Runtime的代码提示,源码和文档方面也删除了一些解释。

具体设置如下:

如果发现导入了两个库文件之后,仍然没有代码提示,就需要把这里的设置改成NO,即可。

二. NSObject起源

由上面一章节,我们知道了与Runtime交互有3种方式,前两种方式都与NSObject有关,那我们就从NSObject基类开始说起。

以下源码分析均来自objc4-680

NSObject的定义如下


typedef struct objc_class *Class;

@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

在Objc2.0之前,objc_class源码如下:


struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
    
#if !__OBJC2__
    Class super_class                                        OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char *name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list *ivars                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list **methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache *cache                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
    
} OBJC2_UNAVAILABLE;

在这里可以看到,在一个类中,有超类的指针,类名,版本的信息。
ivars是objc_ivar_list成员变量列表的指针;methodLists是指向objc_method_list指针的指针。*methodLists是指向方法列表的指针。这里如果动态修改*methodLists的值来添加成员方法,这也是Category实现的原理,同样解释了Category不能添加属性的原因。

关于Category,这里推荐2篇文章可以仔细研读一下。
深入理解Objective-C:Category
结合 Category 工作原理分析 OC2.0 中的 runtime

然后在2006年苹果发布Objc 2.0之后,objc_class的定义就变成下面这个样子了。


typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

@interface Object { 
    Class isa; 
}

@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
}

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
}

union isa_t 
{
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    Class cls;
    uintptr_t bits;
}

把源码的定义转化成类图,就是上图的样子。

从上述源码中,我们可以看到,Objective-C 对象都是 C 语言结构体实现的,在objc2.0中,所有的对象都会包含一个isa_t类型的结构体。

objc_object被源码typedef成了id类型,这也就是我们平时遇到的id类型。这个结构体中就只包含了一个isa_t类型的结构体。这个结构体在下面会详细分析。

objc_class继承于objc_object。所以在objc_class中也会包含isa_t类型的结构体isa。至此,可以得出结论:Objective-C 中类也是一个对象。在objc_class中,除了isa之外,还有3个成员变量,一个是父类的指针,一个是方法缓存,最后一个这个类的实例方法链表。

object类和NSObject类里面分别都包含一个objc_class类型的isa。

上图的左半边类的关系描述完了,接着先从isa来说起。

当一个对象的实例方法被调用的时候,会通过isa找到相应的类,然后在该类的class_data_bits_t中去查找方法。class_data_bits_t是指向了类对象的数据区域。在该数据区域内查找相应方法的对应实现。

但是在我们调用类方法的时候,类对象的isa里面是什么呢?这里为了和对象查找方法的机制一致,遂引入了元类(meta-class)的概念。

关于元类,更多具体可以研究这篇文章What is a meta-class in Objective-C?

在引入元类之后,类对象和对象查找方法的机制就完全统一了。

对象的实例方法调用时,通过对象的 isa 在类中获取方法的实现。
类对象的类方法调用时,通过类的 isa 在元类中获取方法的实现。

meta-class之所以重要,是因为它存储着一个类的所有类方法。每个类都会有一个单独的meta-class,因为每个类的类方法基本不可能完全相同。

对应关系的图如下图,下图很好的描述了对象,类,元类之间的关系:

图中实线是 super_class指针,虚线是isa指针。

  1. Root class (class)其实就是NSObject,NSObject是没有超类的,所以Root class(class)的superclass指向nil。
  2. 每个Class都有一个isa指针指向唯一的Meta class
  3. Root class(meta)的superclass指向Root class(class),也就是NSObject,形成一个回路。
  4. 每个Meta class的isa指针都指向Root class (meta)。

我们其实应该明白,类对象和元类对象是唯一的,对象是可以在运行时创建无数个的。而在main方法执行之前,从 dyld到runtime这期间,类对象和元类对象在这期间被创建。具体可看sunnyxx这篇iOS 程序 main 函数之前发生了什么

(1)isa_t结构体的具体实现

接下来我们就该研究研究isa的具体实现了。objc_object里面的isa是isa_t类型。通过查看源码,我们可以知道isa_t是一个union联合体。


struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
public:
    // 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
    void initIsa(Class cls /*indexed=false*/);
    void initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor);
private:
    void initIsa(Class newCls, bool indexed, bool hasCxxDtor);
}

那就从initIsa方法开始研究。下面以arm64为例。


inline void
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

inline void
objc_object::initIsa(Class cls, bool indexed, bool hasCxxDtor)
{
    if (!indexed) {
        isa.cls = cls;
    } else {
        isa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        isa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        isa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
    }
}

initIsa第二个参数传入了一个true,所以initIsa就会执行else里面的语句。



# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
    struct {
        uintptr_t indexed           : 1;
        uintptr_t has_assoc         : 1;
        uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
        uintptr_t shiftcls          : 33; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000
        uintptr_t magic             : 6;
        uintptr_t weakly_referenced : 1;
        uintptr_t deallocating      : 1;
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
        uintptr_t extra_rc          : 19;
#       define RC_ONE   (1ULL<<45)
#       define RC_HALF  (1ULL<<18)
    };

# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
    struct {
        uintptr_t indexed           : 1;
        uintptr_t has_assoc         : 1;
        uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
        uintptr_t shiftcls          : 44; // MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x7fffffe00000
        uintptr_t magic             : 6;
        uintptr_t weakly_referenced : 1;
        uintptr_t deallocating      : 1;
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
        uintptr_t extra_rc          : 8;
#       define RC_ONE   (1ULL<<56)
#       define RC_HALF  (1ULL<<7)
    };


ISA_MAGIC_VALUE = 0x000001a000000001ULL转换成二进制是11010000000000000000000000000000000000001,结构如下图:

关于参数的说明:

第一位index,代表是否开启isa指针优化。index = 1,代表开启isa指针优化。

在2013年9月,苹果推出了iPhone5s,与此同时,iPhone5s配备了首个采用64位架构的A7双核处理器,为了节省内存和提高执行效率,苹果提出了Tagged Pointer的概念。对于64位程序,引入Tagged Pointer后,相关逻辑能减少一半的内存占用,以及3倍的访问速度提升,100倍的创建、销毁速度提升。

在WWDC2013的《Session 404 Advanced in Objective-C》视频中,苹果介绍了 Tagged Pointer。 Tagged Pointer的存在主要是为了节省内存。我们知道,对象的指针大小一般是与机器字长有关,在32位系统中,一个指针的大小是32位(4字节),而在64位系统中,一个指针的大小将是64位(8字节)。

假设我们要存储一个NSNumber对象,其值是一个整数。正常情况下,如果这个整数只是一个NSInteger的普通变量,那么它所占用的内存是与CPU的位数有关,在32位CPU下占4个字节,在64位CPU下是占8个字节的。而指针类型的大小通常也是与CPU位数相关,一个指针所占用的内存在32位CPU下为4个字节,在64位CPU下也是8个字节。如果没有Tagged Pointer对象,从32位机器迁移到64位机器中后,虽然逻辑没有任何变化,但这种NSNumber、NSDate一类的对象所占用的内存会翻倍。如下图所示:

苹果提出了Tagged Pointer对象。由于NSNumber、NSDate一类的变量本身的值需要占用的内存大小常常不需要8个字节,拿整数来说,4个字节所能表示的有符号整数就可以达到20多亿(注:2^31=2147483648,另外1位作为符号位),对于绝大多数情况都是可以处理的。所以,引入了Tagged Pointer对象之后,64位CPU下NSNumber的内存图变成了以下这样:

关于Tagged Pointer技术详细的,可以看上面链接那个文章。

has_assoc
对象含有或者曾经含有关联引用,没有关联引用的可以更快地释放内存

has_cxx_dtor
表示该对象是否有 C++ 或者 Objc 的析构器

shiftcls
类的指针。arm64架构中有33位可以存储类指针。

源码中isa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
将当前地址右移三位的主要原因是用于将 Class 指针中无用的后三位清除减小内存的消耗,因为类的指针要按照字节(8 bits)对齐内存,其指针后三位都是没有意义的 0。具体可以看从 NSObject 的初始化了解 isa这篇文章里面的shiftcls分析。

magic
判断对象是否初始化完成,在arm64中0x16是调试器判断当前对象是真的对象还是没有初始化的空间。

weakly_referenced
对象被指向或者曾经指向一个 ARC 的弱变量,没有弱引用的对象可以更快释放

deallocating
对象是否正在释放内存

has_sidetable_rc
判断该对象的引用计数是否过大,如果过大则需要其他散列表来进行存储。

extra_rc
存放该对象的引用计数值减一后的结果。对象的引用计数超过 1,会存在这个这个里面,如果引用计数为 10,extra_rc的值就为 9。

ISA_MAGIC_MASK 和 ISA_MASK 分别是通过掩码的方式获取MAGIC值 和 isa类指针。


inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    assert(!isTaggedPointer()); 
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
}

关于x86_64的架构,具体可以看从 NSObject 的初始化了解 isa文章里面的详细分析。

(2)cache_t的具体实现

还是继续看源码

struct cache_t {
    struct bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;
}

typedef unsigned int uint32_t;
typedef uint32_t mask_t;  // x86_64 & arm64 asm are less efficient with 16-bits

typedef unsigned long  uintptr_t;
typedef uintptr_t cache_key_t;

struct bucket_t {
private:
    cache_key_t _key;
    IMP _imp;
}

根据源码,我们可以知道cache_t中存储了一个bucket_t的结构体,和两个unsigned int的变量。

mask:分配用来缓存bucket的总数。
occupied:表明目前实际占用的缓存bucket的个数。

bucket_t的结构体中存储了一个unsigned long和一个IMP。IMP是一个函数指针,指向了一个方法的具体实现。

cache_t中的bucket_t *_buckets其实就是一个散列表,用来存储Method的链表。

Cache的作用主要是为了优化方法调用的性能。当对象receiver调用方法message时,首先根据对象receiver的isa指针查找到它对应的类,然后在类的methodLists中搜索方法,如果没有找到,就使用super_class指针到父类中的methodLists查找,一旦找到就调用方法。如果没有找到,有可能消息转发,也可能忽略它。但这样查找方式效率太低,因为往往一个类大概只有20%的方法经常被调用,占总调用次数的80%。所以使用Cache来缓存经常调用的方法,当调用方法时,优先在Cache查找,如果没有找到,再到methodLists查找。

(3)class_data_bits_t的具体实现

源码实现如下:



struct class_data_bits_t {

    // Values are the FAST_ flags above.
    uintptr_t bits;
}

struct class_rw_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t version;

    const class_ro_t *ro;

    method_array_t methods;
    property_array_t properties;
    protocol_array_t protocols;

    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;

    char *demangledName;
}

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif

    const uint8_t * ivarLayout;
    
    const char * name;
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;

    method_list_t *baseMethods() const {
        return baseMethodList;
    }
};

在 objc_class结构体中的注释写到 class_data_bits_t相当于 class_rw_t指针加上 rr/alloc 的标志。


class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

它为我们提供了便捷方法用于返回其中的 class_rw_t *指针:


class_rw_t *data() {
    return bits.data();
}

Objc的类的属性、方法、以及遵循的协议在obj 2.0的版本之后都放在class_rw_t中。class_ro_t是一个指向常量的指针,存储来编译器决定了的属性、方法和遵守协议。rw-readwrite,ro-readonly

在编译期类的结构中的 class_data_bits_t *data指向的是一个 class_ro_t *指针:

在运行时调用 realizeClass方法,会做以下3件事情:

  1. 从 class_data_bits_t调用 data方法,将结果从 class_rw_t强制转换为 class_ro_t指针
  2. 初始化一个 class_rw_t结构体
  3. 设置结构体 ro的值以及 flag

最后调用methodizeClass方法,把类里面的属性,协议,方法都加载进来。


struct method_t {
    SEL name;
    const char *types;
    IMP imp;

    struct SortBySELAddress :
        public std::binary_function<const method_t&,
                                    const method_t&, bool>
    {
        bool operator() (const method_t& lhs,
                         const method_t& rhs)
        { return lhs.name < rhs.name; }
    };
};

方法method的定义如上。里面包含3个成员变量。SEL是方法的名字name。types是Type Encoding类型编码,类型可参考Type Encoding,在此不细说。

IMP是一个函数指针,指向的是函数的具体实现。在runtime中消息传递和转发的目的就是为了找到IMP,并执行函数。

整个运行时过程可以描述如下:

更加详细的分析,请看@Draveness 的这篇文章深入解析 ObjC 中方法的结构

到此,总结一下objc_class 1.0和2.0的差别。

三. 入院考试

(一)[self class] 与 [super class]

下面代码输出什么?

 @implementation Son : Father
- (id)init
{
    self = [super init];
    if (self)
    {
        NSLog(@"%@", NSStringFromClass([self class]));
        NSLog(@"%@", NSStringFromClass([super class]));
    }
return self;
}
@end

self和super的区别:

self是类的一个隐藏参数,每个方法的实现的第一个参数即为self。

super并不是隐藏参数,它实际上只是一个”编译器标示符”,它负责告诉编译器,当调用方法时,去调用父类的方法,而不是本类中的方法。

在调用[super class]的时候,runtime会去调用objc_msgSendSuper方法,而不是objc_msgSend


OBJC_EXPORT void objc_msgSendSuper(void /* struct objc_super *super, SEL op, ... */ )


/// Specifies the superclass of an instance. 
struct objc_super {
    /// Specifies an instance of a class.
    __unsafe_unretained id receiver;

    /// Specifies the particular superclass of the instance to message. 
#if !defined(__cplusplus)  &&  !__OBJC2__
    /* For compatibility with old objc-runtime.h header */
    __unsafe_unretained Class class;
#else
    __unsafe_unretained Class super_class;
#endif
    /* super_class is the first class to search */
};

在objc_msgSendSuper方法中,第一个参数是一个objc_super的结构体,这个结构体里面有两个变量,一个是接收消息的receiver,一个是
当前类的父类super_class。

入院考试第一题错误的原因就在这里,误认为[super class]是调用的[super_class class]。

objc_msgSendSuper的工作原理应该是这样的:
从objc_super结构体指向的superClass父类的方法列表开始查找selector,找到后以objc->receiver去调用父类的这个selector。注意,最后的调用者是objc->receiver,而不是super_class!

那么objc_msgSendSuper最后就转变成


// 注意这里是从父类开始msgSend,而不是从本类开始,谢谢@Josscii 和他同事共同指点出此处描述的不妥。
objc_msgSend(objc_super->receiver, @selector(class))

/// Specifies an instance of a class.  这是类的一个实例
    __unsafe_unretained id receiver;   


// 由于是实例调用,所以是减号方法
- (Class)class {
    return object_getClass(self);
}

由于找到了父类NSObject里面的class方法的IMP,又因为传入的入参objc_super->receiver = self。self就是son,调用class,所以父类的方法class执行IMP之后,输出还是son,最后输出两个都一样,都是输出son。

(二)isKindOfClass 与 isMemberOfClass

下面代码输出什么?

 @interface Sark : NSObject
 @end
 @implementation Sark
 @end
 int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
    BOOL res1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];
    BOOL res2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];
    BOOL res3 = [(id)[Sark class] isKindOfClass:[Sark class]];
    BOOL res4 = [(id)[Sark class] isMemberOfClass:[Sark class]];
   NSLog(@"%d %d %d %d", res1, res2, res3, res4);
}
return 0;
}

先来分析一下源码这两个函数的对象实现



+ (Class)class {
    return self;
}

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

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

inline Class 
objc_object::getIsa() 
{
    if (isTaggedPointer()) {
        uintptr_t slot = ((uintptr_t)this >> TAG_SLOT_SHIFT) & TAG_SLOT_MASK;
        return objc_tag_classes[slot];
    }
    return ISA();
}

inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    assert(!isTaggedPointer()); 
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
}

+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = object_getClass((id)self); tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return object_getClass((id)self) == cls;
}

- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return [self class] == cls;
}

首先题目中NSObject 和 Sark分别调用了class方法。

+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls方法内部,会先去获得object_getClass的类,而object_getClass的源码实现是去调用当前类的obj->getIsa(),最后在ISA()方法中获得meta class的指针。

接着在isKindOfClass中有一个循环,先判断class是否等于meta class,不等就继续循环判断是否等于super class,不等再继续取super class,如此循环下去。

[NSObject class]执行完之后调用isKindOfClass,第一次判断先判断NSObject 和 NSObject的meta class是否相等,之前讲到meta class的时候放了一张很详细的图,从图上我们也可以看出,NSObject的meta class与本身不等。接着第二次循环判断NSObject与meta class的superclass是否相等。还是从那张图上面我们可以看到:Root class(meta) 的superclass 就是 Root class(class),也就是NSObject本身。所以第二次循环相等,于是第一行res1输出应该为YES。

同理,[Sark class]执行完之后调用isKindOfClass,第一次for循环,Sark的Meta Class与[Sark class]不等,第二次for循环,Sark Meta Class的super class 指向的是 NSObject Meta Class, 和 Sark Class不相等。第三次for循环,NSObject Meta Class的super class指向的是NSObject Class,和 Sark Class 不相等。第四次循环,NSObject Class 的super class 指向 nil, 和 Sark Class不相等。第四次循环之后,退出循环,所以第三行的res3输出为NO。

如果把这里的Sark改成它的实例对象,[sark isKindOfClass:[Sark class],那么此时就应该输出YES了。因为在isKindOfClass函数中,判断sark的isa指向是否是自己的类Sark,第一次for循环就能输出YES了。

isMemberOfClass的源码实现是拿到自己的isa指针和自己比较,是否相等。
第二行isa 指向 NSObject 的 Meta Class,所以和 NSObject Class不相等。第四行,isa指向Sark的Meta Class,和Sark Class也不等,所以第二行res2和第四行res4都输出NO。

(三)Class与内存地址

下面的代码会?Compile Error / Runtime Crash / NSLog…?

@interface Sark : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
- (void)speak;
@end
@implementation Sark
- (void)speak {                            
   NSLog(@"my name's %@", self.name);
}
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {  
  [super viewDidLoad];
  id cls = [Sark class];
  void *obj = &cls;
  [(__bridge id)obj speak];
}
@end

这道题有两个难点。难点一,obj调用speak方法,到底会不会崩溃。难点二,如果speak方法不崩溃,应该输出什么?

首先需要谈谈隐藏参数self和_cmd的问题。
当[receiver message]调用方法时,系统会在运行时偷偷地动态传入两个隐藏参数self和_cmd,之所以称它们为隐藏参数,是因为在源代码中没有声明和定义这两个参数。self在上面已经讲解明白了,接下来就来说说_cmd。_cmd表示当前调用方法,其实它就是一个方法选择器SEL。

难点一,能不能调用speak方法?


id cls = [Sark class]; 
void *obj = &cls;

答案是可以的。obj被转换成了一个指向Sark Class的指针,然后使用id转换成了objc_object类型。obj现在已经是一个Sark类型的实例对象了。当然接下来可以调用speak的方法。

难点二,如果能调用speak,会输出什么呢?

很多人可能会认为会输出sark相关的信息。这样答案就错误了。

正确的答案会输出


my name is <ViewController: 0x7ff6d9f31c50>

内存地址每次运行都不同,但是前面一定是ViewController。why?

我们把代码改变一下,打印更多的信息出来。


- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    NSLog(@"ViewController = %@ , 地址 = %p", self, &self);
    
    id cls = [Sark class];
    NSLog(@"Sark class = %@ 地址 = %p", cls, &cls);
    
    void *obj = &cls;
    NSLog(@"Void *obj = %@ 地址 = %p", obj,&obj);
    
    [(__bridge id)obj speak];
    
    Sark *sark = [[Sark alloc]init];
    NSLog(@"Sark instance = %@ 地址 = %p",sark,&sark);
    
    [sark speak];
    
}

我们把对象的指针地址都打印出来。输出结果:


ViewController = <ViewController: 0x7fb570e2ad00> , 地址 = 0x7fff543f5aa8
Sark class = Sark 地址 = 0x7fff543f5a88
Void *obj = <Sark: 0x7fff543f5a88> 地址 = 0x7fff543f5a80

my name is <ViewController: 0x7fb570e2ad00>

Sark instance = <Sark: 0x7fb570d20b10> 地址 = 0x7fff543f5a78
my name is (null)


// objc_msgSendSuper2() takes the current search class, not its superclass.
OBJC_EXPORT id objc_msgSendSuper2(struct objc_super *super, SEL op, ...)
    __OSX_AVAILABLE_STARTING(__MAC_10_6, __IPHONE_2_0);


objc_msgSendSuper2方法入参是一个objc_super *super。


/// Specifies the superclass of an instance. 
struct objc_super {
    /// Specifies an instance of a class.
    __unsafe_unretained id receiver;

    /// Specifies the particular superclass of the instance to message. 
#if !defined(__cplusplus)  &&  !__OBJC2__
    /* For compatibility with old objc-runtime.h header */
    __unsafe_unretained Class class;
#else
    __unsafe_unretained Class super_class;
#endif
    /* super_class is the first class to search */
};
#endif


所以按viewDidLoad执行时各个变量入栈顺序从高到底为self, _cmd, super_class(等同于self.class), receiver(等同于self), obj。

第一个self和第二个_cmd是隐藏参数。第三个self.class和第四个self是[super viewDidLoad]方法执行时候的参数。

在调用self.name的时候,本质上是self指针在内存向高位地址偏移一个指针。

从打印结果我们可以看到,obj就是cls的地址。在obj向上偏移一个指针就到了0x7fff543f5a90,这正好是ViewController的地址。

所以输出为my name is <ViewController: 0x7fb570e2ad00>。

至此,Objc中的对象到底是什么呢?

实质:Objc中的对象是一个指向ClassObject地址的变量,即 id obj = &ClassObject , 而对象的实例变量 void *ivar = &obj + offset(N)

加深一下对上面这句话的理解,下面这段代码会输出什么?


- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    NSLog(@"ViewController = %@ , 地址 = %p", self, &self);
    
    NSString *myName = @"halfrost";
    
    id cls = [Sark class];
    NSLog(@"Sark class = %@ 地址 = %p", cls, &cls);
    
    void *obj = &cls;
    NSLog(@"Void *obj = %@ 地址 = %p", obj,&obj);
    
    [(__bridge id)obj speak];
    
    Sark *sark = [[Sark alloc]init];
    NSLog(@"Sark instance = %@ 地址 = %p",sark,&sark);
    
    [sark speak];
    
}


ViewController = <ViewController: 0x7fff44404ab0> ,  地址  = 0x7fff56a48a78
Sark class = Sark  地址  = 0x7fff56a48a50
Void *obj = <Sark: 0x7fff56a48a50>  地址 = 0x7fff56a48a48

my name is halfrost

Sark instance = <Sark: 0x6080000233e0>  地址 = 0x7fff56a48a40
my name is (null)

由于加了一个字符串,结果输出就完全变了,[(__bridge id)obj speak];这句话会输出“my name is halfrost”

原因还是和上面的类似。按viewDidLoad执行时各个变量入栈顺序从高到底为self,_cmd,self.class( super_class ),self ( receiver ),myName,obj。obj往上偏移一个指针,就是myName字符串,所以输出变成了输出myName了。

这里有一点需要额外说明的是,栈里面有两个 self,可能有些人认为是指针偏移到了第一个 self 了,于是打印出了 ViewController:



my name is <ViewController: 0x7fb570e2ad00>

其实这种想法是不对的,从 obj 往上找 name 属性,完全是指针偏移了一个 offset 导致的,也就是说指针只往下偏移了一个。那么怎么证明指针只偏移了一个,而不是偏移了4个到最下面的 self 呢?

obj 的地址是 0x7fff5c7b9a08,self 的地址是 0x7fff5c7b9a28。每个指针占8个字节,所以从 obj 到 self 中间确实有4个指针大小的间隔。如果从 obj 偏移一个指针,就到了 0x7fff5c7b9a10。我们需要把这个内存地址里面的内容打印出来。

LLDB 调试中,可以使用examine命令(简写是x)来查看内存地址中的值。x命令的语法如下所示:
x/

n、f、u是可选的参数。
n 是一个正整数,表示显示内存的长度,也就是说从当前地址向后显示几个地址的内容。

f 表示显示的格式,参见上面。如果地址所指的是字符串,那么格式可以是s,如果地十是指令地址,那么格式可以是 i。

u 表示从当前地址往后请求的字节数,如果不指定的话,GDB默认是4个bytes。u参数可以用下面的字符来代替,b表示单字节,h表示双字节,w表示四字节,g表示八字节。当我们指定了字节长度后,GDB会从指内存定的内存地址开始,读写指定字节,并把其当作一个值取出来。

我们用 x 命令分别打印出 0x7fff5c7b9a10 和 0x7fff5c7b9a28 内存地址里面的内容,我们会发现两个打印出来的值是一样的,都是 0x7fbf0d606aa0。

这两个 self 的地址不同,里面存储的内容是相同的。

所以 obj 是偏移了一个指针,而不是偏移到最下面的 self 。

最后

入院考试由于还有一题没有解答出来,所以医院决定让我住院一天观察。

未完待续,请大家多多指教。

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刨根问底 Objective-C Runtime(1)- Self & Super

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一缕殇流化隐半边冰霜

我是于德志 (@halfrost),一名来自中国的 iOS 开发者,已退役 acmer 。现居上海。从 2016 年开始写博客记录自己技术成长的一点一滴,到年底,成为简书推荐作者,2016 年度掘金最优秀的 10 佳原创作者。吾笃信:天道酬勤,勤能补拙。地道酬实,实能不弱。人道酬德,德能补寡。 目前就职于 饿了么 。

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