OC中的实例对象、类对象与元类对象

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三象鼎力

首先用网上的经典图片镇楼,并搭配简单粗暴的名字(我是不是很有才= =)。说起对象,在我们平时编程中可谓是息息相关。对于OC,我们都知道它是扩充C的面向对象编程语言,然而C是一门面向过程的开发语言,并没有类和对象这样的概念,所以要充分的理解镇楼图,我们必须从对象打开局面。

OC中的对象


OC中的对象可分为三大类:实例对象(instance)、类对象(class)、元类对象(meta)

  • 实例对象

NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];

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

obj就是一个实例对象,实例对象就是通过类alloc出来的对象。直接Command点击NSObject进去可发现NSObject其实就是一个结构体,并且只有一个Class类型的isa指针(直接Command点击class可看到Class是一个指针类型)。因为NSObject是一个结构体,而isa又是它的第一个属性,C功底较好的同学应该不难看出isa的地址应该就是obj对象的起始地址(lldb指令不了解的同学可另行百度),如图所示。所以继承自NSObject的实例对象在内存中的结构包括isa指针与其他成员变量的值(ps:这里说的是成员变量的值)。


  • 类对象

Class cls = [NSObject class];

typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

cls就是一个类对象。直接点击Command点击Class可以看到它是objc_class类型的指针,接着Command点击objc_class可以发现它也有一个isa指针。一个类对象在整个程序运行过程中只会存在一个(如图所示),不管你调用多少次class方法,同一个类返回的类对象地址始终是一样的。
类对象存放着isa指针、superclass指针(一个指向其父类类对象的指针)、所有的属性信息(ps:这里说的是属性的信息)和该类的所有对象方法。另外,类对象是通过initialize方法创建出来的,initialize方法在第一个创建该类的实例对象的时候会被调用且只被调用一次(可继承NSObject实现initialize方法自行证明)。


  • 元类对象

Class meta = object_getClass([NSObject class]);
meta就是一个元类对象。元类对象需要通过object_getClass这个runtime函数获取,在整个程序运行过程中也只存在一个该类的元类对象(如图所示)。和类对象一样,元类对象也是Class类型,包括isa指针、superclass指针,不过元类对象存放的是该类所有的类方法。

isa指针


没错,只要是继承自NSObject的类创造出来的实例对象(instance)、类对象(class)和元类对象(meta)都会有一个isa指针。回到镇楼图,isa指针就是图中虚线的箭头,而NSObject则是图中的Root class。在图中实例对象的isa指向其类对象,类对象的isa指向其元类对象,元类对象的isa则指向自己。

这里也可以这样说,实例对象的isa存放的是类对象的地址,以此类推类对象的isa和元类对象的isa。我们可以来简单证明一下。我们创建一个最简单的NSObject的对象,

NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];

在调试栏中(注意让断点过掉这行代码)打印obj的isa的值和obj的类对象的地址结果如图:


结果发现并不一样,这是因为从arm64开始,苹果对isa进行了优化,之前的isa只是一个指针,从arm64开始,isa中包含了很多其他信息,从官网上下载最新的OC源码可以看到

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
    struct {
        uintptr_t nonpointer        : 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 nonpointer        : 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)
    };

arm64是iPhone处理器的架构(忽略x86架构的,那是mac上的,这里需要连接你的真机设备),源码中ISA_MASK就是isa指向的地址的掩码,
我们清空调试栏,接着在调试栏输入lldb指令(如下图),我们首先取到obj的isa(0x000001a1b2c8bea1),然后将其与ISA_MASK按位与得到地址0x00000001b2c8bea0,最后我们直接打印obj的类对象的地址(0x00000001b2c8bea0),结果一致。



Ps:掩码的作用就是用来取到或者修改对应位置的数据,如掩码为0x01,则表示想要取到或者修改第0位的数据,与它作按位与操作表示想要取到这一位数据,这里isa指向的地址的掩码是0x00007ffffffffff8,与其按位与即可得到其指向的地址。

superclass指针


superclass指针相信不用我解释大家也都能知道它是一个指向父类的指针,在类对象和元类对象中存在。我们创建一个继承自NSObject的类来看看它的值,因为Class无法直接获取superclass,但是我们知道它是一个结构体,所以我们可以创建一个与它内存结构一样的结构体,然后强转一下就可以获得(这里可以看到还是有必要学习一下c的,还好我的c功底还不错,哈哈)。
107.png

首先我们创建了一个继承自NSObject的Person类,并获取它的类对象,然后将其强转成dv_objc_class并将其地址保存在dvPCls指针中,通过lldb指令我们可以看见Person类的类对象的superclass指针指向的确实是NSObjec的类对象地址。

回到主题


现在我们回过头来看看镇楼图,是不是感觉到一目了然?
一个NSObject可产生的对象有三类:instance、class、meta。

  • instance中存放着isa和所有对象的值,instance的isa指向的是class。
  • class存放着isa、superclass以及NSObject的属性信息和对象方法。superclass指向其父类,NSObject(Root class)的类对象的superclass指向nil。isa指向的是meta。通过对象调用对象方法的时候,首先会通过instance的isa找到其class,然后在class中找到对象方法并调用,没有找到则会通过superclass一层一层往上找,最终还是找不到的时候就会报错。
  • meta和class类似,只不过它存储的不是对象方法,而是类方法。并且meta的isa全部指向NSObject的meta(就是图中Root class的meta)。superclass指向其父类,NSObject(Root class)的元类对象的superclass指向的是其类对象。通过类对象调用类方法的时候,首先会通过class的isa找到其meta,然后在meta中找到类方法并调用,没有找到则会通过superclass一层一层往上找,最终还是找不到的时候就会报错。
@interface Person : NSObject
+ (void)eat;
- (void)walk;
@end
@implementation Person
+ (void)eat {
    NSLog(@"吃饭");
}
- (void)walk {
    NSLog(@"走路");
}
@end

@interface Student : Person
- (void)examination;
@end
@implementation Student
- (void)examination {
    NSLog(@"考试");
}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        [Student eat];
        Student *s = [[Student alloc] init];
        [s examination];
        [s walk];
    }
    return 0;
}
  • 首先Student调用eat类方法会通过Student的类对象的isa指针找到其元类对象,在元类对象里找eat方法,没有找到,就会通过superclass指针找到其父类Person的元类指针,接着寻找eat方法并执行。
  • 然后Student的实例对象s调用对象方法examination会先通过实例对象s的isa指针找到其类对象,并在类对象中找到examination方法并执行。
  • 最后Student的实例对象s调用对象方法walk会先通过实例对象s的isa指针找到其类对象,然后在类对象中寻找walk方法,没有找到会通过superclass指针找到其父类Person的类对象,找到walk方法,并调用。
    相信这样一讲之后,大家对实例对象、类对象、元类对象以及isa和superclass的了解能有更进一步的了解啦(有错误或者更合适的希望各位大神能够指出)。

小彩蛋

首先大家看一下以下一段代码

@interface NSObject (DVObject)
@end
@implementation NSObject (DVObject)
- (void)eat {
    NSLog(@"吃饭");
}
@end

@interface Person : NSObject
+ (void)eat;
@end
@implementation Person
@end


int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        [Person eat];
    }
    return 0;
}

我们给NSObject加一个分类,并且增加一个eat对象方法,然后定义一个Person对象继承自NSObject,然后定义一个eat类方法,并没有去实现这个方法。按照常理来讲这段代码运行是会崩溃的,但是我们看看执行结果。

居然调用了NSObject的对象方法,这是为什么呢,让我们回到镇楼图仔细查看。

这里Person调用eat类方法,首先会通过isa找到自己的元类对象,发现没有eat方法,然后通过superclass找到NSObject的元类对象继续查找eat方法,依然没有,再通过superclass,注意,此时的superclass指向的是NSObject的类对象,而通过代码可以发现NSObject的类对象中是存在eat方法的,并且调用成功。
所以在我看来,其实对象方法和类方法都是一样的,只是存储的位置不同,对象方法存储在类对象中,类方法存储在元类对象中。然而我们都知道oc是一门运行时语言,调用方法的本质其实是向对象发送消息,这里的[Person eat]其实就是向Person类对象发送了一条eat消息,并通过isa和superclass一层一层往上找,找到就执行,找不到就报错。

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