OC类相关的经典面题分析

1、类存在几份？

由于类的信息在内存中永远只存在一份，所以 类对象只有一份，同样，元类对象也只有一份，在lldb中po类对象和元类对象的地址会输出相同的类名，因为po会调用类的description方法。

2、objc_object 与 对象的关系

objc_object是OC类的c/c++实现，没有直接的联系，编译器会在编译阶段将OC语法的类转译为c/c++的objc_object结构体实现，objc_object结构体是OC类的底层模板。通过typedef struct objc_object *id;定义可以看到id这个可以指向任意OC类关键字实际是指向objc_object结构体的指针。

3、什么是 属性 & 成员变量 & 实例变量 ？
  • 属性在OC中是通过@property开头定义在类的头文件中，编译器会给这样声明的属性添加set和get方法，另外在类内部也可以通过_ivarName的方式，即下划线加属性名的方式直接访问属性，而不必使用点语法，这样做效率更高，减少了set和get方法的消息转发。
  • 成员变量在OC的类@implement{}中定义的，仅供类内部访问的变量，编译器不会生成set和get方法。
  • 实例变量是对象类型的变量，是需要实例化的变量，是一种特殊的成员变量，例如 NSObject、UILabel、UIButton等。
4、如何证明元类中存放着类方法
//定义Person类
@interface Person : NSObject
- (void)sayHi;
+ (void)sayHaHa;
@end
//添加类方法和实例方法
#import "Person.h"
@implementation Person
- (void)sayHi{
    NSLog(@"Person say : Hi!!!");
}
+ (void)sayHaHa{
    NSLog(@"Person say : HaHa!!!");
}
@end

通过运行时方法class_copyMethodList可以获取一个类的实例的方法列表：

//打印方法名
void objc_copyMethodList(Class pClass){
    unsigned int count = 0;
    Method *methods = class_copyMethodList(pClass, &count);
    for (unsigned int i=0; i < count; i++) {
        Method const method = methods[i];
        //获取方法名
        NSString *key = NSStringFromSelector(method_getName(method));
        
        CHLog(@"Method, name: %@", key);
    }
    free(methods);
}

在main中运行以上代码：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        Person *person = [Person alloc];
        Class pClass     = object_getClass(person);
        objc_copyMethodList(pClass);

    }
    return 0;
}

输出结果：

打印类实例方法.png

在objc_copyMethodList法中我们传入了Person类对象，所以只会输出类的实例方法sayHi，符合预期，再看下面的方法输出：

void instanceMethod_classToMetaclass(Class pClass){
    
    const char *className = class_getName(pClass);
    Class metaClass = objc_getMetaClass(className);
    
    Method method1 = class_getInstanceMethod(pClass, @selector(sayHi));
    Method method2 = class_getInstanceMethod(metaClass, @selector(sayHi));

    Method method3 = class_getInstanceMethod(pClass, @selector(sayHaHa));
    Method method4 = class_getInstanceMethod(metaClass, @selector(sayHaHa));
    
    CHLog(@"%s - %p-%p-%p-%p",__func__,method1,method2,method3,method4);
}

这个方法分别针对Person类和元类调用class_getInstanceMethod方法，看看打印结果：

类元类获取方法地址.png

可以看到共打印了4个方法的地址，只有method1和method4打印出了内容，其余都是0x0说明没找到对应的方法，这就很好的证明了实例方法sayHi可以在类对象pClass中找到，而类方法sayHaHa，只能在metaClass元类中找到，这4个方法都调用了class_getInstanceMethod，从方法名中可以判断是获取实例方法，进而说明对元类调用获取实例方法，就相当于获取一个类的类方法，因为类在内存中也是一个特殊的实例，元类中存储的就是这个特殊实例的实例方法。

void classMethod_classToMetaclass(Class pClass){
    
    const char *className = class_getName(pClass);
    Class metaClass = objc_getMetaClass(className);
    
    Method method1 = class_getClassMethod(pClass, @selector(sayHi));
    Method method2 = class_getClassMethod(metaClass, @selector(sayHi));

    Method method3 = class_getClassMethod(pClass, @selector(sayHaHa));
    Method method4 = class_getClassMethod(metaClass, @selector(sayHaHa));
    
    CHLog(@"%s-%p-%p-%p-%p",__func__,method1,method2,method3,method4);
}

将上面方法中调用的class_getInstanceMethod换成class_getClassMethod，分别对类和元类进行测试，看看打印结果：

对类和元类调用获取类方法.png

打印结果只有method3和method4打印出了地址，分析之前看看class_getClassMethod的源码实现：

//获取类方法
Method class_getClassMethod(Class cls, SEL sel)
{
    if (!cls  ||  !sel) return nil;

    return class_getInstanceMethod(cls->getMeta(), sel);
}
//获取一个类的元类，如果本身是元类，就直接返回自己，否则返回类的ISA()找到元类
Class getMeta() {
    if (isMetaClass()) return (Class)this;
    else return this->ISA();
}
  • method1是传入了Person类本身和实例方法sayHi，把参数带入到class_getClassMethod中分析，经过第一个if (!cls || !sel) return nil;条件判断，最终调用了class_getInstanceMethod传入了Person类的元类，sel参数是sayHi，这个方法在Person元类中是找不到的，因为它是一个实例方法，存放在类对象中，所以会返回0x0，找不到这个方法。
  • method2是传入了Person类的元类和实例方法sayHi，把参数带入到class_getClassMethod中分析，经过条件判断，最终调用了class_getInstanceMethod传入了Person类的元类，sel参数是sayHi，元类的getMeta()方法会返回自己，所以还是在Person元类中查找sayHi，因为它是一个实例方法，存放在类对象中，元类中没有这个方法，返回0x0，找不到这个方法。
  • method3是传入了Person类本身和类方法sayHaHa，把参数带入到class_getClassMethod中分析，最终调用了class_getInstanceMethod传入了Person类的元类，sel参数是sayHaHa，这个方法在Person元类中是存在的，因为sayHaHa是一个类方法，返回方法地址0x100003148。
  • method4是传入了Person类的元类和类方法sayHaHa，把参数带入到class_getClassMethod中，最终调用了class_getInstanceMethod传入了Person类的元类，sel参数是sayHaHa，元类的getMeta()方法会返回自己，所以还是在Person元类中查找类方法sayHaHa，可以找到方法并返回方法地址0x100003148。

为什么元类的getMeta()会返回自己，这个是为了防止无限递归，因为对一个类调用class_getClassMethod会顺着类的isa找到类的元类，而对元类调用class_getClassMethod的话，如果不返回元类自身，还是沿着元类的isa查找，最终会找到根元类，所有元类的isa都指向根元类，而根元类的isa指向了自己，就会在这里形成死循环，为了打破这个循环，就在元类的getMeta()方法中直接返回自己终止isa的循环。

再来看看下面的方法：

void imp_ClassToMetaclass(Class pClass){
    const char *className = class_getName(pClass);
    Class metaClass = objc_getMetaClass(className);
    // - (void)sayHi;
    // + (void)sayHaHa;
    IMP imp1 = class_getMethodImplementation(pClass, @selector(sayHi));
    IMP imp2 = class_getMethodImplementation(metaClass, @selector(sayHi));

    IMP imp3 = class_getMethodImplementation(pClass, @selector(sayHaHa));
    IMP imp4 = class_getMethodImplementation(metaClass, @selector(sayHaHa));

    NSLog(@"%p-%p-%p-%p",imp1,imp2,imp3,imp4);
    NSLog(@"%s",__func__);
}

结果打印：0x100001d10-0x7fff6a7d6580-0x7fff6a7d6580-0x100001d40，四个imp都会打印出来，不太符合直觉，从元类里面获取实例方法的实现也拿到了地址，从类里面获取类方法的实现也能拿到地址，看看class_getMethodImplementation的源码实现：

IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL sel)
{
    IMP imp;
    if (!cls  ||  !sel) return nil;
    //查找方法实现
    imp = lookUpImpOrNil(nil, sel, cls, LOOKUP_INITIALIZE | LOOKUP_RESOLVER);
    //没有找到，则进行消息转发
    if (!imp) {
        return _objc_msgForward;
    }
    return imp;
}

从源码中可以知道由于消息转发机制的处理，即使类或者元类中找不到对应的类方法或者实例方法，最终通过消息转发，也能获取到对应方法的实现！

5、分析下面代码中iskindOfClass 、 isMemberOfClass 的打印结果：
void isKindAndisMember() {
    //-----调用类的 iskindOfClass & isMemberOfClass
    BOOL re1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];       //
    BOOL re2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];     //
    BOOL re3 = [(id)[Person class] isKindOfClass:[Person class]];       //
    BOOL re4 = [(id)[Person class] isMemberOfClass:[Person class]];     //
    NSLog(@"\nClass isKindAndisMember\n re1 :%hhd\n re2 :%hhd\n re3 :%hhd\n re4 :%hhd\n",re1,re2,re3,re4);

    //------调用实例的iskindOfClass & isMemberOfClass
    BOOL re5 = [(id)[NSObject alloc] isKindOfClass:[NSObject class]];       //
    BOOL re6 = [(id)[NSObject alloc] isMemberOfClass:[NSObject class]];     //
    BOOL re7 = [(id)[Person alloc] isKindOfClass:[Person class]];       //
    BOOL re8 = [(id)[Person alloc] isMemberOfClass:[Person class]];     //
    NSLog(@"\nInstance isKindAndisMember\n re5 :%hhd\n re6 :%hhd\n re7 :%hhd\n re8 :%hhd\n",re5,re6,re7,re8);
}

看下打印结果：

isKindisMember结果.png

分析前，先看看iskindOfClass 和isMemberOfClass的源码：

//isKindOfClass类方法
+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = self->ISA(); tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}
//isKindOfClass实例方法
- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->superclass) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}
//isMemberOfClass类方法
+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return self->ISA() == cls;
}
//isMemberOfClass实例方法
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return [self class] == cls;
}

下面开始分析：

  • res1=[(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];
    对NSObject调用isKindOfClass，首先会调用+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls类方法，其过程是for循环中tcls初始等于self->ISA()，也就是NSObject的元类，第一次循环相当于比较NSObject类和NSObject的元类是否地址相同，显然不相等，进入下一循环，此时tcls等于它的父类tcls->superclass，NSObject元类就是根源类，根源类的superclass指向NSObject类，此时tcls就变成NSObject类，再次比较tcls和传入的cls，这两个值现在都是NSObject类，所以是相等的，返回YES， 所以res1打印结果就是1。
  • re2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];
    对NSObject调用isMemberOfClass，会调用+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls类方法，最终比较的是self->ISA()和传入的cls，也就是NSObject的元类和NSObject类，显然实不相等的，所以返回NO，re2打印为0
  • re3 = [(id)[Person class] isKindOfClass:[Person class]];
    对Person调用isKindOfClass，首先会调用+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls类方法，for循环中tcls初始等于self->ISA()，也就是Person的元类，相当于比较Person类和Person的元类是否地址相同，不相等，进入下一循环，此时tcls等于它的父类tcls->superclass，也就是NSObject元类，是根源类，和Person类也不相等，继续向上寻找superclass，下一个循环中tcls就变成了NSObject类，根源类的superclass是NSObject类，和Person类也不相等，继续再向上找superclass，NSObject类的superclass是nil，和Person类也不相等，最后由于tcls变成了nil循环终止，返回NO，所以打印re3也是0
  • re4 = [(id)[Person class] isMemberOfClass:[Person class]];
    对Person调用isMemberOfClass，会调用Person类的+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls类方法，最终比较的是self->ISA()和传入的cls，也就是Person的元类和Person类，显然实不相等的，所以返回NO，re4打印为0
  • re5 = [(id)[NSObject alloc] isKindOfClass:[NSObject class]];
    对NSObject的实例调用isKindOfClass，会调用NSObject类的- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls实例方法，for循环中tcls初始等于[self class]，也就是NSObject类，传入的参数cls是[NSObject class]，也是NSObject类，所以比较tcls和cls是相等的，返回YES，打印re5是1
  • re6 = [(id)[NSObject alloc] isMemberOfClass:[NSObject class]];
    对NSObject的实例调用isMemberOfClass，会调用NSObject类的- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls实例方法，比较的是[self class]和传入的[NSObject class]是否相等，显然是相等的，都是NSObject类，打印re6是1
  • re7 = [(id)[Person alloc] isKindOfClass:[Person class]];
    对Person的实例调用isKindOfClass，会调用Person类的- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls实例方法，for循环中tcls初始等于[self class]，也就是Person类，传入的参数cls是[Person class]，也是Person类，所以比较tcls和cls是相等的，返回YES，打印re7是1
  • re8 = [(id)[Person alloc] isMemberOfClass:[Person class]];
    对Person的实例调用isMemberOfClass，会调用Person类的- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls实例方法，比较的是[self class]和传入的[Person class]是否相等，显然是相等的，都是Person类，打印re8是1
坑点：

上面的分析似乎顺利成章，看不出破绽，都是对着isKindOfClass和isMemberOfClass的代码实现一步一步分析的，而且分析的结果也是正确的，但是如果我们用断点调试的话就会发现这里面是有坑的：

断点.png

断点2.png

分别在以上位置下断点，单步运行就会发现不论是实例方法isKindOfClass还是类方法isKindOfClass都没进到对应的断电中，而isMemberOfClass都可以进入对应的方法，这个结果是不是很意外，难道我们上面分析的isKindOfClass流程都是错的吗，系统没有进入对应的isKindOfClass方法，那最终调用的又是那个方法呢？用汇编方式来看看最终调用的方法是什么：
汇编视图debug.png

如上图在Debug菜单选择Always Show Disassembly显示整个方法的汇编代码：
汇编分析.png

从图中标记1的红框可以看到，实际的isKindOfClass方法调用已经变成了objc_opt_isKindOfClass，而标记2的红框显示isMemberOfClass依然是消息转发objc_msgSend方式去调用，所以isMemberOfClass可以进入对应的方法断点，而isKindOfClass已经直接调用objc_opt_isKindOfClass的实现了，这里应该是llvm做的编译优化。在runtime源码中搜索一下objc_opt_isKindOfClass方法看看是否能找到这个方法：
objc_opt_isKindOfClass搜索.png

很容易就搜索到了，声明在objc-internal.h中，实现在NSObject.mm中，点击查看方法实现：

// Calls [obj isKindOfClass]
BOOL
objc_opt_isKindOfClass(id obj, Class otherClass)
{
#if __OBJC2__
    if (slowpath(!obj)) return NO;
    Class cls = obj->getIsa();
    if (fastpath(!cls->hasCustomCore())) {
        for (Class tcls = cls; tcls; tcls = tcls->superclass) {
            if (tcls == otherClass) return YES;
        }
        return NO;
    }
#endif
    return ((BOOL(*)(id, SEL, Class))objc_msgSend)(obj, @selector(isKindOfClass:), otherClass);
}

可以看到最上面的注释中已经说明了这个就是调用[obj isKindOfClass]方法最终所执行的实现，在这个方法中打断点可以看到，不论是调用实例的isKindOfClass还是类的isKindOfClass，都会进入这个方法，这个方法和之前我们认为要走的+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls和- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls的实现基本是一致的，略有不同，分析一下执行过程：

  • re1：re1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];
    进入objc_opt_isKindOfClass(id obj, Class otherClass)方法后，obj是NSObject类对象，后面然后通过Class cls = obj->getIsa();取得NSObject类的元类，之后进入for循环，这里就和+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls的流程一致了，最终通过根源类的superclass判断相等
    同理，re3 = [(id)[Person class] isKindOfClass:[Person class]];的过程也是如此，此处就不再赘述了。
    再看实例对象调用objc_opt_isKindOfClass(id obj, Class otherClass)的情况：
  • re5：re5 = [(id)[NSObject alloc] isKindOfClass:[NSObject class]];
    此时objc_opt_isKindOfClass方法的obj参数变成了NSObject的实例，通过Class cls = obj->getIsa();取得NSObject类对象，进入for循环，此时tcls是NSObject类对象，另一个参数otherClass也是NSObject类对象，这两个必然是相等的，返回YES， 所以re5打印是1
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