004：类原理分析（上）:类（isa、superclass、cache、bits[class_ro_t class_rw_t class_rw_ext_t]）
问题
1：为什么元类是唯一的？
2: isa走位图
2: class_rw_o和class_rw_t的区别
目录
1：isa走位图
2：元类
3：isa走位图
4：OC对象的本质
5：获取属性列表
6:方法列表
7:获取成员变量
8:类方法的存储
9:类的信息是如何存储的
10:class_ro_t-->>class_rw_t
预备
1：定义两个类
1.1：继承自NSObject的类CJLPerson，
@interface CJLPerson : NSObject
{
NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *cjl_name;
- (void)sayHello;
+ (void)sayBye;
@end
@implementation CJLPerson
- (void)sayHello
{}
+ (void)sayBye
{}
@end
1.2：继承自CJLPerson的类CJLTeacher
@interface CJLTeacher : CJLPerson
@end
@implementation CJLTeacher
@end
1.3：在main中分别用两个定义两个对象：person & teacher
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
//ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
CJLPerson *person = [CJLPerson alloc];
CJLTeacher *teacher = [CJLTeacher alloc];
NSLog(@"Hello, World! %@ - %@",person,teacher);
}
return 0;
}
正文
1：isa走位图
获取isa中类的信息
获取isa指针-->>获取shiftcls（里面存储类的信息）
最上面打印类的信息，中间打印类信息的三种方式，下面是获取类的isa指针指向的元类信息
根据调试过程，我们产生了一个疑问：为什么图中的p/x 0x001d8001000022dd & 0x00007ffffffffff8ULL与 p/x 0x00000001000022b0 & 0x00007ffffffffff8ULL中的类信息打印出来都是CJLPerson？
0x001d8001000022dd是person对象的isa指针地址，其&后得到的结果是创建person的类CJLPerson0x00000001000022b0是isa中获取的类信息所指的类的isa的指针地址，即CJLPerson类的类的isa指针地址，在Apple中，我们简称CJLPerson类的类为元类- 所以，两个打印都是
CJLPerson的根本原因就是因为元类导致的
2：元类
1：下面来解释什么是元类，主要有以下几点说明：
-
我们都知道
对象的isa是指向类，类的其实也是一个对象，可以称为类对象，其isa的位域指向苹果定义的元类 -
元类是系统给的，其定义和创建都是由编译器完成，在这个过程中，类的归属来自于元类 -
元类是类对象的类，每个类都有一个独一无二的元类用来存储类方法的相关信息。 -
元类本身是没有名称的，由于与类相关联，所以使用了同类名一样的名称
下面通过lldb命令来探索元类的走向，也就是isa的走位，如下图所示，可以得出一个关系链：对象 --> 类 --> 元类 --> NSobject, NSObject 指向自身
对象的isa指向类（也可称为类对象）类的isa指向元类元类的isa指向根元类，即NSObject根元类的isa指向 它自己
2：从图中可以看出，最后的根元类是NSObject，这个NSObject 与我们日开开发中所知道的NSObject是同一个吗？是同一个。
两种验证方式：
lldb命令验证
代码验证
2.1：lldb命令验证
NSObject类的元类也是NSObject，与上面的CJLPerson中的根元类（NSObject）的元类，是同一个，所以可以得出一个结论：内存中只存在存在一份根元类NSObject，根元类的元类是指向它自己 2.2：代码验证
//MARK:--- 分析类对象内存 存在个数 void testClassNum(){ Class class1 = [CJLPerson class]; Class class2 = [CJLPerson alloc].class; Class class3 = object_getClass([CJLPerson alloc]); NSLog(@"\n%p-\n%p-\n%p-\n%p", class1, class2, class3); }
从结果中可以看出，打印的地址都是同一个，所以NSObject只有一份，即NSObject（根元类）在内存中永远只存在一份
类的信息在内存中永远只存在一份，所以 类对象只有一份
3：isa走位图
isa走位
isa的走向有以下几点说明：
-
实例对象（Instance of Subclass）的isa指向类（class） -
类对象（class）isa指向元类（Meta class） -
元类（Meta class）的isa指向根元类（Root metal class） -
根元类（Root metal class）的isa指向它自己本身，形成闭环，这里的根元类就是NSObject
superclass走位
superclass（即继承关系）的走向也有以下几点说明：
类之间 的继承关系：-
类（subClass）继承自父类（superClass） -
父类（superClass）继承自根类（RootClass），此时的根类是指NSObject -
根类继承自nil，所以根类即NSObject可以理解为万物起源，即无中生有
-
元类也存在继承，元类之间的继承关系如下：-
子类的元类（metal SubClass）继承自父类的元类（metal SuperClass） -
父类的元类（metal SuperClass）继承自根元类（Root metal Class -
根元类（Root metal Class）继承于根类（Root class），此时的根类是指NSObject
-
- 【注意】
实例对象之间没有继承关系，类之间有继承关系
CJLTeacher及对象teacher 、CJLPerson及对象person举例说明，如下图所示
-
isa 走位链（两条）
-
teacher的isa走位链：
teacher(子类对象) --> CJLTeacher （子类）--> CJLTeacher（子元类） --> NSObject（根元类） --> NSObject（跟根元类，即自己） -
person的isa走位图：
person(父类对象) --> CJLPerson （父类）--> CJLPerson（父元类） --> NSObject（根元类） --> NSObject（跟根元类，即自己）
-
-
superclass走位链（两条）
-
类的继承关系链：
CJLTeacher（子类） --> CJLPerson(父类) --> NSObject（根类）--> nil -
元类的继承关系链：
CJLTeacher（子元类） --> CJLPerson(父元类) --> NSObject（根元类）--> NSObject（根类）--> nil
-
4：OC对象的本质
1：objc_class & objc_object
struct objc_class : objc_object { // Class ISA; // 8字节 Class superclass; // 8字节 cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable， 16字节 class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags。。首地址右移32字节 class_rw_t *data() const { return bits.data(); } void setData(class_rw_t *newData) { bits.setData(newData); } } struct objc_object { Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY; };
isa属性：继承自objc_object的isa，占 8字节superclass 属性：Class类型，Class是由objc_object定义的，是一个指针，占8字节struct cache_t { #if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets; // 是一个结构体指针类型，占8字节 explicit_atomic<mask_t> _mask; //是mask_t 类型，而 mask_t 是 unsigned int 的别名，占4字节 #elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16 explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets; //是指针，占8字节 mask_t _mask_unused; //是mask_t 类型，而 mask_t 是 uint32_t 类型定义的别名，占4字节 #if __LP64__ uint16_t _flags; //是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节 #endif uint16_t _occupied; //是uint16_t类型，uint16_t是 unsigned short 的别名，占 2个字节
-
计算
前两个属性的内存大小，有以下两种情况，最后的内存大小总和都是12字节-
【情况一】
if流程-
buckets类型是struct bucket_t *，是结构体指针类型，占8字节 -
mask是mask_t类型，而mask_t是unsigned int的别名，占4字节
-
-
【情况二】
elseif流程-
_maskAndBuckets是uintptr_t类型，它是一个指针，占8字节 -
_mask_unused是mask_t类型，而mask_t是uint32_t类型定义的别名，占4字节
-
-
-
_flags是uint16_t类型，uint16_t是unsigned short的别名，占2个字节 -
_occupied是uint16_t类型，uint16_t是unsigned short的别名，占2个字节
总结：所以最后计算出cache类的内存大小 = 12 + 2 + 2 = 16字节
3：获取bits，获取联合体位域的地址
想要获取bits的中的内容，只需通过类的首地址平移32字节即可
4：获取类的首地址有两种方式
p/x CJLPerson.class直接获取首地址
x/4gx CJLPerson.class，打印内存信息获取
5：获取类的信息
其中的data()获取数据，是由objc_class提供的方法
$2指针的打印结果中可以看出bits中存储的信息，其类型是class_rw_t，也是一个结构体类型。但我们还是没有看到属性列表、方法列表等，需要继续往下探索
struct class_rw_t { ...... const method_array_t methods() const { auto v = get_ro_or_rwe(); if (v.is<class_rw_ext_t *>()) { return v.get<class_rw_ext_t *>()->methods; } else { return method_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseMethods()}; } } const property_array_t properties() const { auto v = get_ro_or_rwe(); if (v.is<class_rw_ext_t *>()) { return v.get<class_rw_ext_t *>()->properties; } else { return property_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseProperties}; } } const protocol_array_t protocols() const { auto v = get_ro_or_rwe(); if (v.is<class_rw_ext_t *>()) { return v.get<class_rw_ext_t *>()->protocols; } else { return protocol_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseProtocols}; } } }
在这个 class_rw_t结构体中我们发现这里有methods（方法）、properties（属性）、protocols（协议)这些信息
5：获取属性列表
在获取bits并打印bits信息的基础上，通过class_rw_t提供的方法，继续探索 bits中的属性列表，以下是lldb 探索的过程图示
6：探索 方法列表，即methods_list
通过查看objc_class中bits属性中存储数据的类class_rw_t的定义发现，除了methods、properties、protocols方法
7：获取成员变量
还有一个ro方法，其返回类型是class_ro_t，通过查看其定义，发现其中有一个ivars属性。
lass_ro_t结构体中的属性如下所示，想要获取ivars，需要ro的首地址平移48字节
class_ro_t结构体中的属性如下所示，想要获取ivars，需要ro的首地址平移48字节
struct class_ro_t { uint32_t flags; //4 uint32_t instanceStart;//4 uint32_t instanceSize;//4 #ifdef __LP64__ uint32_t reserved; //4 #endif const uint8_t * ivarLayout; //8 const char * name; //1 ? 8 method_list_t * baseMethodList; // 8 protocol_list_t * baseProtocols; // 8 const ivar_list_t * ivars; const uint8_t * weakIvarLayout; property_list_t *baseProperties; //方法省略 }
8:探索类方法的存储
由此可得出methods list 中只有 实例方法，没有类方法，那么问题来了，类方法存储在哪里？为什么会有这种情况？下面我们来仔细分析下
在文章前半部分，我们曾提及了元类，类对象的isa指向就是元类，元类是用来存储类的相关信息的，所以我们猜测：是否类方法存储在元类的bits中呢？可以通过lldb命令来验证我们的猜测
通过图中元类方法列表的打印结果，我们可以知道，我们的猜测是正确的，所以可以得出以下结论：
-
类的实例方法存储在类的bits属性中，通过bits --> methods() --> list获取实例方法列表，例如CJLPersong类的实例方法sayHello就存储在CJLPerson类的bits属性中，类中的方法列表除了包括实例方法，还包括属性的set方法和get方法 -
类的类方法存储在元类的bits属性中，通过元类bits --> methods() --> list获取类方法列表，例如CJLPerson中的类方法sayBye就存储在CJLPerson类的元类（名称也是CJLPerson）的bits属性
9: 类的信息是如何存储的
1: class_rw_t
存储着 class_ro_t 和 methods (方法列表)、properties (属性列表)、protocols (协议列表)等信息。
struct class_rw_t { // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure. uint32_t flags; uint16_t witness; #if SUPPORT_INDEXED_ISA uint16_t index; #endif explicit_atomic<uintptr_t> ro_or_rw_ext; Class firstSubclass; Class nextSiblingClass; // 省略过多的代码 ... const method_array_t methods() const { auto v = get_ro_or_rwe(); if (v.is<class_rw_ext_t *>()) { return v.get<class_rw_ext_t *>()->methods; } else { return method_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseMethods()}; } } const property_array_t properties() const { auto v = get_ro_or_rwe(); if (v.is<class_rw_ext_t *>()) { return v.get<class_rw_ext_t *>()->properties; } else { return property_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseProperties}; } } const protocol_array_t protocols() const { auto v = get_ro_or_rwe(); if (v.is<class_rw_ext_t *>()) { return v.get<class_rw_ext_t *>()->protocols; } else { return protocol_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseProtocols}; } } };
2:class_ro_t 中也存储了 baseMethodList (方法列表)、baseProperties (属性列表)、baseProtocols (协议列表) 以及 实例变量、类的名称、大小 等等信息。
struct class_ro_t { uint32_t flags; uint32_t instanceStart; uint32_t instanceSize; #ifdef __LP64__ uint32_t reserved; #endif const uint8_t * ivarLayout; const char * name; method_list_t * baseMethodList; protocol_list_t * baseProtocols; const ivar_list_t * ivars; const uint8_t * weakIvarLayout; property_list_t *baseProperties; };
10: class_ro_t-->>class_rw_t
在类首次被使用的时候，runtime会为它分配额外的存储容量，用于 读取/写入 数据的一个结构体 class_rw_t。
class_ro_t是只读的，存放的是 编译期间就确定的字段信息；而class_rw_t是在 runtime 时才创建的，它会先将 class_ro_t的内容拷贝一份，再将类的分类的属性、方法、协议等信息添加进去，之所以要这么设计是因为 Objective-C 是动态语言，你可以在运行时更改它们方法，属性等，并且分类可以在不改变类设计的前提下，将新方法添加到类中因为 class_ro_t是只读的，所以我们需要在 class_rw_t中追踪这些东西。而这样做，显然是会占用相当多的内存的。
事实证明，class_rw_t会占用比 class_ro_t占用更多的内存，在Apple的测试中，iPhone在系统中大约有 30MB 的 class_rw_t结构。应该如何优化这些内存呢？
通过测量实际设备上的使用情况，大约只有 10％ 的类实际会存在动态的更改行为（如动态添加方法，使用 Category 方法等）。因此，苹果的工程师 把这些动态的部分提取了出来单独放在一个区域，我们称之为 class_rw_ext_t，这样的设计使得 class_rw_t的大小减少了一半， 所以，结构会变成这个样子。
注意
