2018-05-28 • iOS

对象、类、元类、isa指针之间的爱恨情仇

前言

在iOS开发中，对象、类的使用可以说是无处不在，伴随着整个项目的开发周期，也是程序的重要组成部分。但是在日常开发中，很难直观的见到元类、isa指针，那么它们究竟是谁，在开发中起着什么作用呢？下面我们就分别介绍下这几位亲兄弟的结构体定义，以及之间的关联关系。

类(class)的结构体定义

类对象(Class)是由程序员定义并在运行时有编译器创建的，他没有自己的实例变量，这里需要注意的是类的成员变量和实例方法列表是属于实例对象的，但其存储于类对象当中。下图指出类的结构体定义：

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

// OC1.0 class 结构体定义
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
} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */


// OC2.0 class 结构体定义，我们注意到上面的定义后面的标识符OBJC2_UNAVAILABLE，意思是已经不适用ObjC2.0了，现在ObjC2.0 对objc_class的定义如下：
struct objc_class : objc_object {
    isa_t isa;
    Class superclass;
    cache_t cache;
    class_data_bits_t bits;
};

我们在objc/objc.h 源码文件中找到了Class 类结构体的定义，下面我们分析并说明一下几个关键的结构体成员：

isa：是一个不能为空(null)的Class对象，它指向该类的元类(meta class)。
super_class：是一个可以为空的Class对象，它指向当前类的父类。会一直追溯到根类(NSObject)，那么根类(NSObject)的父类是指向谁的呢？通过分析根类的父类是指向空(nil)的，这样也就可以解释为什么super_class 是可以为空的。
ivars：是实例变量列表，保存着该类的所有实例变量
methodLists：是方法列表，保存着实例方法和类方法
protocols：是协议列表，保存该类的协议方法
cache：是一个缓存，用于缓存最近使用过的方法。
…

上面我们根据Class 类的结构体，分析内部成员的作用及含义。想必大家已经对Class类的内部结构有了一个初步的认识。如果想再深入理解isa和super_class在不同情况下都是如何进行指向的，我们再看下面的一个图示来逐步分析：

首先，注意图中的注释，实线的箭头(→ superclass)代表父类指针，虚线的箭头(→isa)代表isa指针，从上至下的深色方框依次代表：根类-> 父类-> 子类，下面咱们从上至下层层分析上图的含义：

第一层：
- isa指针： 根类的实例对象(instance Of Root class)的isa指向根类(Root class)，根类的isa指针指向根元类(Root meta class)，根元类的isa指向它本身。
- superclass指针：根类(Root class)的superclass指向nil，根元类的父类指向根类。
第二层：
- isa指针：父类的实例对象(instance of superclass)的isa指向父类（superclass），父类的isa指向父元类，父元类的isa指向根元类。
- superclass指针：父类的superclass指向根类，父元类的superclass指向根元类。
第三层：
- isa指针：子类实例对象（instance of subclass）的isa指向子类，子类的isa指向子元类，子元类的isa指向根元类。
- superclass指针：子类的superclass指向父类，子元类的superclass指向父元类。

动态创建一个类

// 创建一个新类和元类
Class objc_allocateClassPair ( Class superclass, const char *name, size_t extraBytes ); //如果创建的是root class，则superclass为Nil。extraBytes通常为0
// 销毁一个类及其相关联的类
void objc_disposeClassPair ( Class cls ); //在运行中还存在或存在子类实例，就不能够调用这个。
// 在应用中注册由objc_allocateClassPair创建的类
void objc_registerClassPair ( Class cls ); //创建了新类后，然后使用class_addMethod，class_addIvar函数为新类添加方法，实例变量和属性后再调用这个来注册类，再之后就能够用了。

对象(object)的结构体定义

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

我们可以看到，objc_object代表一个实例对象，它的结构体内部有一个不为空的isa指针，isa是指向对象所属类的指针。另外，我们常用的id类型是一个指向objc_object结构体的指针，它可以指向任意一个oc对象。

// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object {
    Class isa;
} *id;

元类(Meta class)的结构体定义

元类(Meta class) 就是类对象的类，每个类都有自己的元类，也就是objc_class结构体里面的isa指针所指向的类。元类用来表述类对象本身所具备的元数据， 因为元类中存储着类对象的方法列表，即类方法。

下面将介绍实例对象、类、元类之间的关系，如下图所示：

当向对象发消息时，runtime会在这个对象所属类的实例方法列表中查找消息对应的方法实现(IMP)。但当向类发送消息时，runtime就会在这个类的元类(meta class)方法列表里查找。所有的元类(meta class)，包括根类(Root class)，父类(Superclass)，子类(Subclass)的isa最终都指向根类(Root class)的元类(meta class)，这样能够形成一个闭环。可以总结为：

当发送消息给实例对象时，runtime函数会在此实例对象所属类的实例方法列表中查找方法实现(IMP)并调用，此为实例方法调用。
当发送消息给类对象时，runtime函数会在此实例对象所属类的元类的方法列表中查找方法实例(IMP)并调用，此为类方法调用。

延伸扩展

方法的调用流程

OC的方法调用本质上是给对象发送消息，即调用runtime的消息发送函数，如下所示：

/*
	param: self(id) 接收消息的对象，
	param: op(SEL)  发送的消息，即方法签名(@selector(method_name))
*/
id _Nullable  objc_msgSend(id _Nullable self, SEL _Nonnull op, ...)

通过对objc_msgSend()函数的源码分析，总结以下调用流程：

检查 selector 是否需要忽略
检查 target 是否为 nil，如果是 nil 就直接 cleanup，然后 return
在 target 的 Class 中根据 selector 去找 IMP

寻找IMP的流程

在当前 class 的方法缓存里寻找（cache methodLists）
找到了跳到对应的方法实现，没找到继续往下执行
从当前 class 的方法列表里查找（methodLists），找到了添加到缓存列表里，然后跳转到对应的方法实现；没找到继续往下执行
从 superClass 的缓存列表和方法列表里查找，直到找到基类为止
以上步骤还找不到 IMP，则进入消息动态处理和消息转发(objc_msgForward)流程，详见这篇文章

我们从objc-class.mm 官方源码中找到了寻找IMP的实现过程，如下：

IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL sel)
{
IMP imp;
if (!cls  ||  !sel) return nil;
imp = lookUpImpOrNil(cls, sel, nil,
YES/*initialize*/, YES/*cache*/, YES/*resolver*/);
// Translate forwarding function to C-callable external version
if (!imp) {
return _objc_msgForward;
}
return imp;
}

参考资料

http://limbank.com/2018/03/09/post18/

https://tingxins.com/2017/05/metaclass-class-relationship/

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