OC对象的本质

iOS底层原理探索—OC对象的本质

面试题

一个NSObject对象占用多少内存？

答：统会为一个NSObject对象分配最少16个字节的内存空间。一个指针变量所占用的大小（64bit占8个字节，32bit占4个字节）

• 系统分类了16个字节给NSObject对象（通过malloc_size函数获得）
• NSObject对象内部只使用了8个字节的空间（64bit环境下）

对象的isa指针指向哪里？

答：instance对象的isa指针指向class对象，class对象的isa指针指向meta-class对象，meta-class对象的isa指针指向基类的meta-class对象，基类自己的isa指针指向自己。

oc的类信息存放在哪里？

答：成员变量的具体值存放在实例对象（instance对象）；对象方法，协议，属性，成员变量信息存放在类对象（class对象）；类方法信息存放在元类对象（meta-class对象）。

在探索OC对象的本质之前，我们要明白Objective-C的代码，底层的实现都是C/C++代码。

而OC中的对象、类则是基于C/C++的结构体来实现的。

我们可以通过将创建好的OC文件，转化成C++文件来看一下OC对象的底层结构。

OC代码转换成C++

通过命令行将OC的main.m文件转换成C++，生成 main.cpp

   clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 
/***rewrite代表 重写
   *-o代表 输出
   *cpp代表 c++(c plus plus)
**/

需要注意这种方式没有指定运行平台和架构模式，我们可以通过命令行设置参数，来指定运行平台和架构模式

   xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 
/***xcrun代表 xcode
   * iphoneos代表 运行在iPhone上
   *-arch代表 架构模式，arm64参数代表64位的架构模式
**/

生成的main-arm64.cpp 文件就是main.m转换c++后的文件，直接拖拽到工程中，就可以查看底层实现了。我们在main-arm64.cpp 文件中搜索NSObjcet，可以找到NSObjcet_IMPL（IMPL即 implementation 的缩写，代表实现）。

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

可以看到，NObject的底层实现就是一个结构体。我们进一步查看Class。

typedef struct objc_class *Class;

我们发现Class其实就是一个指针，指向了objc_class类型的结构体。

OC对象内存空间

通过以上探索我们可以得出总结，OC中对象的底层实现都是通过C\C++的结构体实现的。那么一个OC对象占据了多少内存空间呢？下面让我们用代码实际验证一下。

通过代码我们创建了一个NSObject对象，分别调用了class_getInstanceSize和malloc_size方法来查看占据的内存空间。我们看到打印输出了8和16，这是怎么回事呢？
我们通过查看OC源码可知，class_getInstanceSize是返回类的成员变量占据内存的大小。而malloc_size是获取obj指针指向内存的大小
我们上文创建的NSObject对象obj的结构体只有一个成员：isa指针，而指针在64位架构中占8个字节，所以第一次打印输出了8。但是系统为obj对象分配了16个字节的内存，第二次打印输出16。

上图中黄色区域系统为obj对象分配的16个字节的内存，但是obj对象结构体中只有一个isa指针，所以只占据了绿色区域的8个字节。这一点可以通过查看alloc底层源码也可以证实：

通过alloc底层源码可以看到，如果一个对象占据的内存小于16时，则会直接返回16，也就是说，系统在为对象分配内存空间时，最小为16个字节。
至此我们知道了系统在创建一个对象的时候会为其分配最少16字节的内存空间，其中对象的isa指针占据8个字节。我们通过下面一道面试题继续深入了解OC对象的底层本质。

在64位环境下，下面的代码会输出什么？

/* Person */
@interface Person : NSObject
{
    int _age;
}
@end

@implementation Person
@end

/* Student */
@interface Student : Person
{
    int _no;
}
@end

@implementation Student
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        NSLog(@"%zd  %zd",
              class_getInstanceSize([Person class]),
              class_getInstanceSize([Student class])
              );
    }
    return 0;
}

经过代码分析，这道面试题想问的其实就是一个Person对象和一个Student对象分别占据多少内存空间。但是需要注意的是Person对象和Student对象分别有一个实例变量、Student继承自Person对象。
经过综合上文简单分析，我们可以简单画出Person对象和Student对象的内存结构示意图：

我们可以看到，在Person对象结构体中，有一个父类类型的结构体指针和一个int类型成员变量_age，分别占据内存空间为8字节和4字节。根据底层源码对象分配的最小内存空间为16可得，Person对象占据的内存空间为16。此处值得注意的是，根据内存对齐，也可得出Person对象占据16个字节。

那么根据这个分析逻辑，Student对象占据的内存空间是不是20或者24呢？答案当然是不对，虽然Student结构体中有Person类型的指针（16个字节）和int类型成员变量_no（4个字节），但是要注意的是上面Person对象占据的16个字节是没有完全占据完的，还留有4个字节的空白地址，系统会自动的把int类型成员变量_no放在这4个字节的空白地址中，所以Student对象也占据16个字节的内存空间。

内存对齐:
前面的地址必须是后面的地址整数倍,不是就补齐。
整个结构体的地址必须是最大字节的整数倍。

OC对象的分类

OC对象分为三种：
实例对象（instance对象）
类对象（class对象）
元类对象（meta-class对象）

1、实例对象（instance对象）

实例对象（instance对象）就是通过类的alloc出来的对象，每次调用alloc都会产生新的实例对象。例如：

NSObjcet *obj1 = [[NSObjcet alloc] init];
NSObjcet *obj2 = [[NSObjcet alloc] init];

obj1和obj2都是NSObject的实例对象，但是它们是不同的两个实例对象，分别占用两块不同的内存地址。
实例对象在内存中存储的信息包括：

1、isa指针
2、其他成员变量

2、类对象（class对象）

类对象（class对象）就是通过class方法或者runtime的object_getClass`方法得到的class对象

每个类在内存中有且只有一个class对象

Class objClass1 = [obj1 class];
Class objClass2 = [obj2 class];
Class objClass3 = [NSObject class];

// runtime方法
Class objClass4 = object_getClass(obj1);
Class objClass5 = object_getClass(obj2);

objClass1-objClass5都是NSObject的类对象（class对象），且它们是同一个对象。

类对象在内存中存储的信息包括：
1、isa指针
2、superClass指针
3、类的属性信息（@property），类的成员变量信息（ivar）
4、类的对象方法信息（instance method），类的协议信息（protocol）

3、元类对象（meta-class对象）

元类对象（meta-class对象）就是通过RunTime的object_getClass方法得到的对象

每个类在内存中有且只有一个class对象

//通过RunTIme的API获得元类对象
Class objectMetaClass = object_getClass([NSObject class]);

元类对象和类对象的内存结构是一样的，但是用途不一样，元类对象在内存中存储的信息包括：
1、isa指针
2、superClass指针
3、类的类方法信息（class method）

以上我们了解了实例对象、类对象和元类对象的含义以及包含的内容，那么它们当中的isa指针和superClass指针分别指向哪里呢?

isa指针的指向

isa指针指向用一张示意图来简单概括一下：

实例对象（instance对象）的isa指针指向class。当调用对象方法时，通过实例对象的isa找到class，最后找到对象方法的实现进行调用
类对象（class对象）的isa指针指向meta-class。当调用类方法时，通过类对象的isa找到meta-class，最后找到类方法的实现进行调用。

class的superClass指针的指向

class的superClass指针指向用一张示意图来简单概括一下：

图中举例Student继承自Person，Person继承自NSObject。
当Student的实例对象要调用父类Person的对象方法时，会先通过isa找到Student的class，然后通过class中的superClass找到父类Person的class，最后找到对象方法的实现进行调用。

meta-class对象的superClass指针指向

同上，当Student的class要调用Person的类方法时，会先通过isa找到Student的meta-class，然后通过superClass找到Person的meta-class，最后找到类方法的实现进行调用。

这里当然要提一下非常经典的isa指向图，做进一步的总结：

1、instance的isa指向clas
2、class的isa指向meta-class
3、meta-class的isa指向基类的meta-class，基类的isa指向自己
4、class的superClass指向父类的class，如果没有父类，则superClass指针为nil
5、meta-class的superClass指向父类的meta-class，基类的meta-class的superClass指向基类的class
6、instance调用对象方法的轨迹：通过isa找到class，方法不存在，就通过supercla逐层父类里找，有就实现，如果找到基类仍没有找到，就会抛出unrecognized selector sent to instance异常
7、class调用类方法的轨迹：通过isa找到meta-class，方法不存在，就通过superClass逐层父类里找。