iOS中OC对象模型的理论知识过一遍

以前学习化学知识的时候，有一句经典的话就是：“结构决定性质”。

这句话在软件开发中依然适用，不管是日常的业务开发工作，还是想探索下OC的底层原理，都离不开结构的限制。

本文是记录OC对象模型的结构设计。

==第一部分==

OC是一门面向对象的编程语言，每一个对象都是一个类的实例。在OC语言的内部，每一个对象都有一个名为isa的指针，指向该对象的类。每一个类描述了一系列它的实例的特点，包括成员变量的列表、成员函数的列表等。每一个对象都可以接受消息，而对象能够接受的消息列表保存在它所对应的类中。

按照面向对象语言OOP的设计原则，所有的事物都应该是对象，严格来说，OC并没有完全做到这一点，因为它有像int、double这样的简单变量类型，而类似Ruby一类的语言，连int变量也是对象。

因为类也是一个对象，所以它也必须是另一个类的实例，这个类就是元类（metaclass）。元类保存了类方法的列表。当一个类方法被调用时，元类会首先查找它本身是否有该类方法的实现，如果没有，则该元类会向它的父类查找该方法，这样可以一直找到继承链的源头。

元类也是一个对象，那么元类的isa指针又指向哪里呢？为了设计上的完整，所有的元类的isa都会指向一个根元类（root metaclass）。根元类本身的isa指针指向自己，这样就形成了一个闭环。前面所提到的，“一个对象能够接受的消息列表是保存在它所对应的类中的”。在实际编程中，我们几乎不会遇到向元类发消息的情况，因此元类的isa指针很少在实际中用到。不过，设计“根元类”是为了保证面向对象概念在OC语言中的完整，即语言中的所有事物都是对象，都有isa指针。

根据isa指针这条线路，基本可以得出以下图示：

 

如果把类的实例看成是一个C语言的结构体struct，那么上面提到的isa指针就是这个结构体的第一个成员变量，而类的其他成员变量依次排列在结构体中，其他的成员变量包括类本身的成员变量，和从父类链继承过来的成员变量。因为对象在内存中的排布可以看成是一个结构体，该结构体的大小并不能动态变化，所以无法在运行时动态地给对象增加成员变量。这就是为什么分类category只可为对象增加成员方法，却不能增加成员变量的原因。而动态更改isa指针的应用场景之一就是KVO的实现。

虽然通过objc_setAssociatedObject和objc_getAssociatedObject方法可以变相地给对象增加成员变量，但由于实现机制不一样，所以并不是真正改变了对象的内存结构。

正是因为isa指针和method指针的类型是指针，多以可以动态地修改指针的值，从而做到对isa sizzling和method swizzling的支持。

与实例对象中的成员变量不一样，对象的方法定义都保存在类的可变区域中。OC 2.0 并未在头文件中将实现暴露出来，但在OC 1.0 中，我们可以看到方法的定义列表是一个名为methodLists的指针的指针。通过修改该指针指向的指针的值，就可以动态地为某一个类增加成员方法。这也是分类category实现的原理。

在OC的高级语法中，比如使用runtime运行时更改系统方法的定义、KVO的实现、消息的转播等等，都是对isa指针和method指针的利用。当然，runtime运行时的作用远远不止这些应用场景。

==第二部分==

上面提到的类、元类、根元类，加上根类NSObject是有继承关系的。由于类方法的定义时保存在元类中，而方法调用的规则是，如果该类没有一个方法的实现，则向它的父类继续查找。所以，为了保证父类的类方法在子类中可以被调用，所有子类的元类都会继承父类的元类，换而言之，类对象和元类对象有着同样的继承关系。

根据继承这条关系线路，可以得到下面的图示：

 

==第三部分==

如果想进一步探索底层的一些结构，可以在Xcode中按快捷键 Shift + Cmd + O，然后输入“NSObject”、“objc.h”、“runtime.h”。

在调试时，可以运行到“断点”处后，在Console中输入（比如：p *child）进行对象模型结构的查看。