OC底层研究4--类的结构分析

ios 底层 源码 类 结构
发布日期:   2020-01-12
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本页所使用的objc runtime 756.2，来自GITHUB

1.概念

1.1 类Class 的类型

Class在源码里的真正类型为objc_class的结构体。

先查看源码——在Xcode按下Shift+Command+O，选择objc-runtime-new.h，搜索objc_class，可以得知，Class底层编译实现的前4行如下：

可知类结构如下：

  • A. //Class ISA

    ​ 继承自父类 objc_class 的 isa ，指向类的指针不需显示（内存占8位），这里它返回一个nonpointer的指针，相关源码如下：

    /// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

  • B. Class superclass;

    ​ 指向本类的父类（内存占8位）

  • C. cache_t cache;

    ​ 存储指针和vtable，加速方法调用（内存占8位）

  • D. class_data_bits_t bits;

    ​ 存储类的方法、属性、遵循的协议等信息的地方（内存占8位）

  • E. 其他方法/函数 – 不占内存

为何cache_t cache 这个变量占位位16，而不是8？

原因是因为这里的cache_t是结构体，其占内存为根据内部属性结构而定，为防止溢出，给予16位字节，而不是指针所需的8位。

Talk is cheap, show me the code, 伸伸手指，点开cache_t 的内部结构

我们来看看属性：

  • bucket_t， 结构体，占8位字节
  • mask_t，点开后具体实现为如下：
typedef uint32_t mask_t;

​ 为整型，占4个字节

  • mask_t
typedef uint32_t mask_t;

​ 也是整形，占4个字节

共计8+4+4 = 16个字节

1.2 objc_class继承

在底层实现里，objc_class 继承自objc_object 的结构体

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

1.3 关于NSobject

万物皆对象 - Class 继承自NSObject

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}

2. 类的属性与成员变量

  1. 属性的存储

    上面提到了类对象的结构原理，我们知道了类结构里，类型位class_data_bits_t 的bits下面我们来探寻一下，类里面的属性上怎么保存的。

    我们在代码里生成一个类，分别有成员变量hobby，以及属性nickName

    代码如下:

    @interface Person : NSObject{
    NSString *hobby;
}

@property (nonatomic, copy) NSString *nickName;

    在主线代码引入:

    int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        LGPerson *person = [LGPerson alloc];
        Class pClass     = object_getClass(person);
        NSLog(@"%@ -- %p", person, pClass);
    }
    return 0;
}

    然后打印得到的类pClass，通过x/4gx 获取类结构如下：

    (lldb) x/4gx pClass
0x1000023d0: 0x001d8001000023a9 0x0000000100b37140
0x1000023e0: 0x00000001003da280 0x0000000000000000

    观察结果得知0x1000023d0 位pClass在内存中的首地址，根据内存偏移原则，加上16+8+8共32位，即可得到bits的结构。

    0x1000023d0，偏移32位，得到0x1000023f0。注意，这里要用p打印指针，而非打印值用的po

    (lldb) p 0x1000023f0
4294976496

    oh NO！得到的是具体的值，这里需要强转一下：

    (lldb) p (class_data_bits_t *)0x1000023f0
(class_data_bits_t *) $3 = 0x00000001000023f0

    得到$3 的值，并不是我们想要的结构，留意到objc_class里的方法 data() 方法:

    struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA; // 8
    Class superclass; // 8
    cache_t cache;    // 16 不是8         // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

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

    data() 返回是class_rw_t，点进去看看，

    struct class_rw_t {
    // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
    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;

    留意到里面有 methods、properties、protocols等，原来这里等值便是类的相关属性方法等等结构。

    现在对$3 执行data() 方法:

    (lldb) p $3->data()
(class_rw_t *) $5 = 0x0000000000000000

    对得到的$5 进行值打印:

    (lldb) p *$5
(class_rw_t) $5 = {
  flags = 2148139008
  version = 0
  ro = 0x0000000100002308
  methods = {
    list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
       = {
        list = 0x0000000100002240
        arrayAndFlag = 4294976064
      }
    }
  }
  properties = {
    list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
       = {
        list = 0x00000001000022f0
        arrayAndFlag = 4294976240
      }
    }
  }
  protocols = {
    list_array_tt<unsigned long, protocol_list_t> = {
       = {
        list = 0x0000000000000000
        arrayAndFlag = 0
      }
    }
  }
  firstSubclass = nil
  nextSiblingClass = NSUUID
  demangledName = 0x0000000000000000
}

    如上所示，$5 内结构一目了然，方法，属性，协议都显示了。

    继续获取属性值:

    (lldb) p $5.properties
(property_array_t) $7 = {
  list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
     = {
      list = 0x00000001000022f0
      arrayAndFlag = 4294976240
    }
  }
}

    得到一个二维数组的$7，观察属性列表的类型为property_array_t，继承自list_array_tt，内部拥有

    (lldb) p $7.list
(property_list_t *) $8 = 0x00000001000022f0

    再次对$8 进行* 取值，得到如下结果：

    (lldb) p *$8
(property_list_t) $9 = {
  entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> = {
    entsizeAndFlags = 16
    count = 1
    first = (name = "nickName", attributes = "T@\"NSString\",C,N,V_nickName")
  }
}

    从结果可以看出，我们的属性，就保存在properties 里中。

  2. 成员变量的存储

    上面分析了属性的存储，但是我们没有看到成员变量 hobby,我们在properties 属性里，没有看到它，到底在哪里呢?下面我们继续查找。

    既然不在properties 里，那尝试一下在$5 的 ro 里进行取值

    (lldb) p $5.ro
(const class_ro_t *) $10 = 0x0000000100002308

    得到class_ro_t 类型的结构体，继续对他取值

    (lldb) p *$10
(const class_ro_t) $11 = {
  flags = 388
  instanceStart = 8
  instanceSize = 24
  reserved = 0
  ivarLayout = 0x0000000100001f8a "\x02"
  name = 0x0000000100001f81 "LGPerson"
  baseMethodList = 0x0000000100002240
  baseProtocols = 0x0000000000000000
  ivars = 0x00000001000022a8
  weakIvarLayout = 0x0000000000000000
  baseProperties = 0x00000001000022f0
}

    值这里可以看到ivars，就是我们需要的变量列表，打印一下：

    (lldb) p $11.ivars
(const ivar_list_t *const) $12 = 0x00000001000022a8

    继续对 ivar_list_t 类型的$12 取值:

    (lldb) p *$12
(const ivar_list_t) $13 = {
  entsize_list_tt<ivar_t, ivar_list_t, 0> = {
    entsizeAndFlags = 32
    count = 2
    first = {
      offset = 0x0000000100002378
      name = 0x0000000100001e64 "hobby"
      type = 0x0000000100001fa7 "@\"NSString\""
      alignment_raw = 3
      size = 8
    }
  }
}
(lldb) p $.first
(const ivar_t) $13 = {
  offset = 0x0000000100002378
  name = 0x0000000100001e64 "hobby"
  type = 0x0000000100001fa7 "@\"NSString\""
  alignment_raw = 3
  size = 8
}

    可以看到成员变量存在类的 ivars 属性里

3. 类的方法

3.1 类的实例方法

我们继续对类进行代码编辑，对Person类添加实例方法和类方法

- (void)sayHello;        // 实例方法
+ (void)sayHappy;        // 类方法

还是对类结构$5 进行解析，这次我们打印它的 methods 属性

(lldb) p $5.methods
(method_array_t) $14 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002240
      arrayAndFlag = 4294976064
    }
  }
}

得到的是method_array_t 类型的$14, 是个数组类型，继续打印:

(lldb) p $14.list
(method_list_t *) $15 = 0x0000000100002240
(lldb) p *$15
(method_list_t) $16 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
    entsizeAndFlags = 26
    count = 4
    first = {
      name = "sayHello"
      types = 0x0000000100001f8c "v16@0:8"
      imp = 0x0000000100001b90 (LGTest`-[LGPerson sayHello] at LGPerson.m:13)
    }
  }
}

可见，实例方法sayHello 方法，存储在类的methods属性里

3.2 类的类方法存储

类方法在上述的过程中没有看到，那么它会在哪里呢?

为了找到它，我们重新回到最初的pClass

(lldb) x/4gx pClass
0x1000023b0: 0x001d800100002389 0x0000000100b37140
0x1000023c0: 0x00000001003da280 0x0000000000000000

得到isa值为0x001d800100002389，这时，唤出它的掩码 ISA_MASK 来获取它的元类

(lldb) p/x 0x001d800100002389 & 0x0000000ffffffff8
(long) $1 = 0x0000000100002388

继续对元类$1的结构进行解析：

(lldb) x/4gx 0x0000000100002388
0x100002388: 0x001d800100b370f1 0x0000000100b370f0
0x100002398: 0x0000000100f946c0 0x0000000100000003

可知0x100002388是这个元类的地址，根据上文提到的内存便宜，我们继续加上2个16进制位，得到0x1000023a8，p一下：

(lldb) p (class_data_bits_t *)$2
(class_data_bits_t *) $3 = 0x00000001000023a8

继续执行上文实例方法类似的方案，执行data() — 取值 – 获取methods 的思路，具体代码如下：

(lldb) p $3->data()
(class_rw_t *) $4 = 0x0000000100f94620
(lldb) p *$4
(class_rw_t) $5 = {
  flags = 2685075456
  version = 7
  ro = 0x00000001000021f8
  methods = {
    list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
       = {
        list = 0x00000001000021d8
        arrayAndFlag = 4294975960
      }
    }
  }
  properties = {
    list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
       = {
        list = 0x0000000000000000
        arrayAndFlag = 0
      }
    }
  }
  protocols = {
    list_array_tt<unsigned long, protocol_list_t> = {
       = {
        list = 0x0000000000000000
        arrayAndFlag = 0
      }
    }
  }
  firstSubclass = nil
  nextSiblingClass = 0x00007fff942e6990
  demangledName = 0x0000000000000000
}
(lldb) p $5.methods
(method_array_t) $10 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
     = {
      list = 0x00000001000021d8
      arrayAndFlag = 4294975960
    }
  }
}
(lldb) p $10.list
(method_list_t *) $11 = 0x00000001000021d8
(lldb) p *$11
(method_list_t) $12 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
    entsizeAndFlags = 26
    count = 1
    first = {
      name = "sayHappy"
      types = 0x0000000100001f8c "v16@0:8"
      imp = 0x0000000100001bc0 (LGTest`+[LGPerson sayHappy] at LGPerson.m:17)
    }
  }
}
(lldb)

可见，类方法sayHappy 方法，存储在类的元类 methods属性里

4. 总结

  • 类的本质上一个类型为objc_class的结构体，包含有isa、父类、属性、成员变量及方法列表等
  • 类属性存在结构体的properties里
  • 类的成员变量存在结构体的 ivars里
  • 类的实例方法，存在结构体 的methods 属性里
  • 类的类方法，存在父类的class_ro_t 里的methods里

如下图示：

文章作者: 李佳
文章链接: http://nilsli.com/p/8549.html
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2020-01-21 李佳
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