runtime中元类的理解

参考文章

清晰理解Objective-C元类
object_getClass(obj)与[obj class]的区别-源代码解析
刨根问底Objective－C Runtime

元类

这几天看了一些runtime底层的一些介绍，感受最深的就是对元类的讲解了。突然有种恍然大悟的感觉，以前我们经常说一切皆对象，在这里体现出来了。

1. 元类是什么

众所周知Objective-C（以下简称OC）中的消息机制，消息的接收者可以是一个对象，也可以是一个类。那么这两种情况统一为一种情况不是更方便吗？苹果当然早就想到了，这也正是元类的用处。苹果统一把消息接收者作为对象。等等，这也是说类也是对象？yes，就是这样。就是说，OC中所有的类都是一种对象。由一个类实例化来的对象叫实例对象，这好理解，那么类作为对象（称之为类对象），又是什么类的对象呢？当然也容易猜到，就是元类（MetaClass）。现在到给元类下定义的时候了：元类就是类对象所属的类。所以，实例是类的实例，类作为对象又是元类的实例。已经说了，OC中所有的类都是一种对象，所以元类也是对象，那么元类是什么的实例呢？答曰：根元类，同时根元类是其自身的实例。

上面讲到了实例对象、类对象、元类对象，有什么区别？
实例对象：当我们在代码中new一个实例对象时，拷贝了实例所属的类的成员变量，但不拷贝类定义的方法，调用实例方法时，调用实例的isa指针去寻找方法对应的函数指针。
类对象：是一个功能完整的对象，特殊之处在于它们是由程序员定义而在运行时由编译器创建的，它没有自己的实例变量（这里区别于类的成员变量，它们是属于实例对象的，而不是属于类对象的，类方法是属于类对象自己的），但类对象中存着成员变量和实例方法列表。
元类对象：OC的类方法是使用元类的根本原因，因为其中存储着对应的类对象调用的方法即类方法。其他时候都倾向于隐藏元类，因此真实世界没有人发送消息给元类对象。元类的定义和创建看起来都是编译器自动完成的，无须人为干涉。要获取一个类的元类，可使用如下定义的函数：

Class objc_getMetaClass(const char *name); // name为类的名字

此外还有一个获取对象所属的类的函数：

Class object_getClass(id obj);

由于类对象是元类的实例，所以当传入的参数为类名时，返回的就是指向该类所属元类的指针。

2. 元类的构建机制

既然所有的类都是对象，那么元类又是什么类的对象？这样下去，不是子子孙孙无穷尽也？当然不行，OC作为一门编程语言，当然要满足完备性----既定的各条规则都要满足，不能相互矛盾，也不能存在漏洞。
OC作为运行时语言，上面提到的类与元类在运行时都是objc_class类型。在Objective-C2.0中，objc_class的定义如下：

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;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

其中，Class定义如下：

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

可以看出，OC中每个类都包含一个isa变量，显然这里的isa是指向另一个类的指针，说白了就是表面这个类是哪个类的实例，以便找到代码中调用的本类或父类的类方法。对于NSObject及其子类，指向的就是它的元类，正如实例中也有个isa指针指向其所属的类一样。而对于元类，每个元类的isa指针都指向根元类。那么根元类的isa指向哪里？---它自己。这样就构成了一个封闭的循环，实现了无懈可击的OC类系统。这种关系在下面的图中有清晰的体现。

除了isa声明了实例与所属类的关系，还有super_class声明了类、元类的继承关系。每个类对象都有对应的元类，每个类（根类除外）都有一个superclass，同样每个元类也有一个superclass，并且子类与子元类、父类与父元类分别在同一个层次。这种关系借用网上的一张图来说明，一目了然。



注意：根元类的superclass不是nil而是根类。对于OC原生的类，根元类的父类就是系统的根类NSObject。但根类不一定是NSObject，因为后面介绍的objc_allocateClassPair函数也可以创建出一个根类。

3. 元类的构建机制

上面讲到了OC运行时类的定义，这里可以看看对象的定义，重点关注objc_object 和 id。

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

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

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
#endif

/// An opaque type that represents a method selector.
typedef struct objc_selector *SEL;

/// A pointer to the function of a method implementation. 
#if !OBJC_OLD_DISPATCH_PROTOTYPES
typedef void (*IMP)(void /* id, SEL, ... */ ); 
#else
typedef id (*IMP)(id, SEL, ...); 
#endif

这说明OC中每个对象也都包含一个isa变量，这里的isa，指向实例对象所属的类。在运行时，[obj aMessage];被转化为objc_msgSend(obj, @selector(aMessage));，这里，@selector(aMessage)返回一个SEL数据类型，即方法选择器。SEL主要作用是快速的通过方法名字(aMessage)查找到对应方法的函数指针，然后调用其函数。SEL其本身是一个int型的地址，地址中存放着方法的名字。在一个类中，每一个方法对应着一个SEL。iOS类中不能存在两个名称相同的方法，即使参数类型不同，因为SEL是根据方法名生成，相同的方法名称只能对应一个SEL。

当一个消息发送给任何一个对象，方法的检查器从对象的isa指针开始，然后是父类。具体地，在objc_msgSend函数中，首先通过obj的isa指针找到obj对应的class。在class中，有一块最近调用的方法的指针缓存，所以先去cache通过selector查找对应的method，若cache中未找到，再去method list中查找，若method list中未找到，则去superClass中查找。若能找到，则将method加入到cache中，以方便下次查找，并通过method中的函数指针跳转到对应的函数中去执行。对最后一句不了解的话，请看objc_method定义：

struct objc_method { 
  SEL method_name; // 方法名称 
  const char *method_typesE; // 参数和返回类型的描述字串 
  IMP method_imp; // 方法的具体的实现的指针 
}

由上看出，OC中实例方法是通过isa找到object所属的class，再在class中找到要调用的method。此可得出结论：class即类对象中存储着实例方法。实际上，类对象中存储着类定义的一切：成员变量、属性列表、遵守的协议等，但不包括类方法。类方法的定义在哪？就是在元类里面。此外元类中还存在着类的信息（类的版本，名字），比如发送一个类消息[class aMessage];，class中的isa就指向class的元类，在元类中搜索调用的类方法，搜索层次类似于实例方法的搜索。

4. 元类的应用

类对象和元类对象的相关方法：

  1. object_getClass跟随实例的isa指针，返回此实例所属的类，对于实例对象（instance）返回的是类（class），对于类（class）则返回的是元类（metaclass）；
  2. -class方法对于实例对象（instance）会返回类（class），但对于类（class）则不会返回元类（metaclass），而只会返回类本身，即[@"instance" class]返回的是__NSCFConstantString，而[NSString class]返回的是NSString。
  3. class_isMetaClass可判断某类是否为元类。
  4. 使用objc_allocateClassPair可在运行时创建新的类与元类对，使用class_addMethod和class_addIvar可向类中增加方法和实例变量，最后使用objc_registerClassPair注册后，就可以使用此类了。这体现了OC作为运行时语言的强大之一：在代码中动态创建类并添加方法。
Class newClass = objc_allocateClassPair([NSError class], "RuntimeErrorSubclass", 0);
class_addMethod(newClass, @selector(addedMethod), (IMP)added_method_implementation, "v@:");
void added_method_implementation(id self, SEL __cmd)
{
    // do something
}

说明：objc_allocateClassPair函数的作用是创建一个新类newClass及其元类，三个参数依次为newClass的父类，newClass的名称，第三个参数通常为0。然后可向newClass中添加变量及方法，注意若要添加类方法，需用objc_getClass(newClass)获取元类，然后向元类中添加类方法。接下来必须把newClass注册到运行时系统，否则系统不能识别这个类。

  1. 根据以上理解比较一下object_getClass(obj)和[obj class]的区别
    其实很简单，直接看源代码吧。
    object_getClass(obj)的代码实现：
Class object_getClass(id obj)
{
    return _object_getClass(obj);
}

其中_object_getClass(obj)是一个静态内联函数，代码实现如下：

static inline Class _object_getClass(id obj)
{
    #if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
    if （OBJ_IS_TAGGED_PTR(obj)）{
        uint8_t slotNumber = ((uint8_t)(uint64_t) obj) & 0x0F;
        Class isa = _objc_tagged_isa_table[slotNumber];
        return isa;
    }
    #endif
        if (obj) return obj->isa;
        else return Nil;
}

简单的说_object_getClass函数就是返回对象的isa指针。
[obj class]的代码实现分为两种情况，分别是obj为实例对象和类对象，代码如下所示：

// 类方法直接返回自身指针
+ (Class)class
{
   return self;
 }
// 实例方法调用object_getClass，返回isa指针
- (Class)class 
{
    return object_getClass(self);
}

通过以上代码可以看出，调用[obj class]，不管obj对实例对象还是类对象，结果都是一样的。

  1. 看下这几个个面试题吧



    第一题解析如下：
    在调用[self class]时，会转化为objc_msgSend函数。函数定义如下：

id objc_msgSend(id self, SEL op, ...)

我们把self做为第一个参数传递进去。而在调用[super class]时，会转化为objc_msgSendSuper函数。看下函数定义：

id objc_msgSendSuper(struct objc_super *super, SEL op, ...)

第一个参数是objc_super这样一个结构体，其定义如下：

struct objc_super {
    __unsafe_unretained id receiver;
    __unsafe_unretained Class super_class;  
};

结构体有两个成员，第一个成员是receiver，类似于上面的objc_msgSend函数第一个参数self。第二个成员是记录当前类的父类是什么。
所以当调用[self class]时，实际先调用的是objc_msgSend函数，第一个参数是Son当前的这个实例，然后在Son这个类里面去找-(Class)class这个方法，没有就去父类Father里找，也没有，最后在NSObject类中发现这个方法。而-(Class)class的实现就是返回self的类别，故上述输出结果为Son。
objc Runtime开源代码对- (Class)class方法的实现：

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

而当调用[super class]时，会转换为objc_msgSendSuper函数。第一步先构造objc_super结构体，结构体第一个成员就是self，第二个成员是(id)class_getSuperclass(objc_getClass("son"))，实际该函数输出结果为Father。第二部是去Father这个类里去找- (Class)class，没有，然后去NSObject类去找。找到了，最后内部是使用objc_msgSend(objc_super->receiver， @selector(class))去调用，此时已经和[self class]调用相同，故上述输出结果仍然返回Son。
第二题解析如下：
运行结果是
2014-11-05 14:45:08.474 Test[9412:721945] 1 0 0 0
对于
BOOL res1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject calss]];
首先还是看看isKindOfClass的实现：

- (BOOL)isKindOfClass: aClass
{
    Class cls;
    for (cls = isa; cls; cls = cls->superclass) 
        if (cls == (Class)aClass)
            return YES;
    return NO;
}

当[NSObject class]对象第一次进行比较的时候，得到它的isa为NSObject的Meta Class，这个时候NSObject Meta Class 和 NSObject Class不相等。然后取出NSObject的Meta Class的Super class，这个时候又变成了NSObject Class，所以相等。
对于
BOOL res2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject calss]];
先看看isMemberOfClass:的实现吧，

- (BOOL)isMemberOf:aClass
{
    return isa == (Class)aClass;
}

当前的isa指向NSObject的Meta Class，所以和NSObject Class不相等。所以输出结果为NO。
第三题解析如下：
结果是输出
2017-07-12 10:20:51.067 test[1038:39336] IMP: - [NSObject(Sark) foo] 2017-07-12 10:20:51.068 test[1038:39336] IMP: - [NSObject(Sark) foo]
注意这里有点蹊跷的是如果将这个分类写的一个文件import进来会编译不过的，但是如果直接写在.m文件，像下面这样，就是好的，可以编译过。

#import "ViewController.h"
@interface NSObject (Sark)
+ (void)foo;
@end
@implementation NSObject (Sark)
- (void)foo
{
    NSLog(@"IMP: - [NSObject(Sark) foo]");
}
@end
@interface ViewController ()
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    [NSObject foo];
    [[NSObject new] foo];
}
@end

1）objc runtime加载完后，NSObject的Sark Category被加载。而NSObject的Sark Category的头文件+ (void)foo并没有实质参与到工作中，只是给编译器进行静态检查，所以我们编译上述代码会出现警告，提示我们没有实现+ (void)foo方法。而在代码编译中，它已经被注释掉了。
2）实际被加入到Class的method list的方法是- (void)foo，它是一个实例方法，所以加入到当前对象NSObject的方法列表中，而不是NSObject Meta class的方法列表中。
3）当执行[NSObject foo]时，我们看下整个objc_msgSend的过程：
objc_msgSend第一个参数是"(id)objc_getClass("NSObject")"，获得NSObject Class的对象。
类方法在Meta Class的方法列表中找，我们在load Category方法时加入的是- (void)foo实例方法，所以并不在NSObject Meta Class的方法列表中，继续往super class中找，NSObject Meta Class的super class是NSObject本身，所以，这个时候我们能够找到 - (void)foo这个方法。所以输出结果。
当执行[[NSObject new] foo]，我们看下整个objc_msgSend的过程：
[NSObject new]生成一个NSObject对象，直接在该对象的类（NSObject）的方法列表里找，能够找到，所以正常输出结果。

最后编辑于 ：
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 人面猴
    序言：七十年代末，一起剥皮案震惊了整个滨河市，随后出现的几起案子，更是在滨河造成了极大的恐慌，老刑警刘岩，带你破解...
    沈念sama阅读 158,425评论 4赞 361
  • 死咒
    序言：滨河连续发生了三起死亡事件，死亡现场离奇诡异，居然都是意外死亡，警方通过查阅死者的电脑和手机，发现死者居然都...
    沈念sama阅读 67,058评论 1赞 291
  • 救了他两次的神仙让他今天三更去死
    文/潘晓璐 我一进店门，熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来，“玉大人，你说我怎么就摊上这事。” “怎么了？”我有些...
    开封第一讲书人阅读 108,186评论 0赞 243
  • 道士缉凶录：失踪的卖姜人
    文/不坏的土叔 我叫张陵，是天一观的道长。 经常有香客问我，道长，这世上最难降的妖魔是什么？ 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 43,848评论 0赞 204
  • 港岛之恋（遗憾婚礼）
    正文 为了忘掉前任，我火速办了婚礼，结果婚礼上，老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己，他们只是感情好，可当我...
    茶点故事阅读 52,249评论 3赞 286
  • 恶毒庶女顶嫁案：这布局不是一般人想出来的
    文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着，像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上，一...
    开封第一讲书人阅读 40,554评论 1赞 216
  • 城市分裂传说
    那天，我揣着相机与录音，去河边找鬼。 笑死，一个胖子当着我的面吹牛，可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播，决...
    沈念sama阅读 31,830评论 2赞 312
  • 双鸳鸯连环套：你想象不到人心有多黑
    文/苍兰香墨 我猛地睁开眼，长吁一口气：“原来是场噩梦啊……” “哼！你这毒妇竟也来了？” 一声冷哼从身侧响起，我...
    开封第一讲书人阅读 30,536评论 0赞 197
  • 万荣杀人案实录
    序言：老挝万荣一对情侣失踪，失踪者是张志新（化名）和其女友刘颖，没想到半个月后，有当地人在树林里发现了一具尸体，经...
    沈念sama阅读 34,239评论 1赞 241
  • 护林员之死
    正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡，尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 30,505评论 2赞 244
  • 白月光启示录
    正文 我和宋清朗相恋三年，在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 32,004评论 1赞 258
  • 活死人
    序言：一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡，死状恐怖，灵堂内的尸体忽然破棺而出，到底是诈尸还是另有隐情，我是刑警宁泽，带...
    沈念sama阅读 28,346评论 2赞 253
  • 日本核电站爆炸内幕
    正文 年R本政府宣布，位于F岛的核电站，受9级特大地震影响，放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜，却给世界环境...
    茶点故事阅读 32,999评论 3赞 235
  • 男人毒药：我在死后第九天来索命
    文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹，春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 26,060评论 0赞 8
  • 一桩弑父案，背后竟有这般阴谋
    文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至，却和暖如春，着一层夹袄步出监牢的瞬间，已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 26,821评论 0赞 194
  • 情欲美人皮
    我被黑心中介骗来泰国打工， 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留，地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 35,574评论 2赞 271
  • 代替公主和亲
    正文 我出身青楼，却偏偏与公主长得像，于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子，可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 35,480评论 2赞 267

推荐阅读更多精彩内容

  • 无标题文章
    转至元数据结尾创建： 董潇伟，最新修改于： 十二月 23, 2016 转至元数据起始第一章:isa和Class一....
    40c0490e5268阅读 1,635评论 0赞 9
  • Runtime运行时类与对象（一）
    Objective-C语言是一门动态语言，他将很多静态语言在编译和链接时期做的事情放到了运行时来处理。这种动态语言...
    tigger丨阅读 1,330评论 0赞 8
  • Objective-C Runtime 运行时之一：类与对象
    原文出处：南峰子的技术博客 Objective-C语言是一门动态语言，它将很多静态语言在编译和链接时期做的事放到了...
    _烩面_阅读 1,192评论 1赞 5
  • Objective-C 的 Runtime
    我们常常会听说 Objective-C 是一门动态语言，那么这个「动态」表现在哪呢？我想最主要的表现就是 Obje...
    Ethan_Struggle阅读 2,109评论 0赞 7
  • 类和对象
    Objective-C语言是一门动态语言，它将很多静态语言在编译和链接时期做的事放到了运行时来处理。这种动态语言的...
    有一种再见叫青春阅读 552评论 0赞 3