OC 类原理探索：类结构分析补充-一一网

OC 类原理探索系列文章

前言

上篇OC 类原理探索：类的结构分析对类结构做了整体的分析，今天做一些补充和拓展。

一、WWDC 2020 类结构的优化

WWDC 2020 – runtime 优化中介绍了类数据结构的优化、方法列表的优化和tagged pointer格式的优化3方面内容，我们今天只分析类数据结构的优化。

1. clean memory 和 dirty memory 的区别

clean memory

clean memory是指加载后不会发生更改的内存；
class_ro_t就属于clean memory因为它是只读的；
clean memory可以进行移除从而节省更多的内存空间，因为如果你需要 clean memory，系统可以从磁盘中重新加载。

dirty memory

dirty memory是指在进程运行时会发生更改的内存；
类结构一经使用就会变成dirty memory，因为运行时会向它写入新的数据，例如创建一个新的方法缓存并从类中指向它；
dirty memory比clean memory要昂贵的多，只要进程在运行，他就必须一直存在；
macOS可以选择换出dirty memory，但因为iOS不使用swap所以 dirty memory在iOS中代价很大。

dirty memory是这类数据被分成两部分的原因，可以保持清洁的数据越多越好，通过分离出那些永远不会更改的数据，可以把大部分的类数据存储为clean memory。

2. class_rw_t 的优化

当类第一次被加载到内存时的结构：

虽然这些数据足以让我们开始，但运行时需要追踪每个类的更多信息。
所以当一个类首次被使用，运行时会为它分配额外的存储容量，这个运行时分配的存储容量是class_rw_t用于读取-编写数据，看下面的结构：

在这个数据结构中，我们存储了只有在运行时才会生成的新信息。例如，所有的类都会连接成一个树状结构，这是通过使用First Subclass和Next Sibling Class指针实现的，这允许运行时遍历当前使用的所有类，这对于使方法缓存无效非常有用。

但为什么方法和属性在只读数据中有，这里还有方法和属性呢？因为它们可以在运行时进行更改，当categry被加载时它可以向类中添加新的方法，也可以使用运行时API动态的添加它们，因为class_ro_t是只读的，所以需要在class_rw_t中追踪这些东西。

这样做的结果是会占用相当多的内存，在任何给定的设备中都有许多类在使用，在iPhone上的整个系统中，大约30兆字节这些class_rw_t结构，那么我们如何缩小这些结构呢？我们在读取-编写部分需要这些东西，因为它们可以在运行时进行更改，但是通过检查实际设备上的使用情况，发现大约只有10% 的类真正的更改了它们的方法。

而且只有Swift类会使用这个Demangled name字段，并且Swift类并不需要这一字段，除非有东西询问他们的Objective-C名称时才需要。

所以我们可以拆掉那些平时不用的部分，这将class_rw_t的大小减少了一半，
将需要动态更新的部分提取出来，存入class_rw_ext_t。

大约90%的类从来不需要这些扩展数据，这在系统范围内可节省大约14MB的内存，这些内存可以用于更有效的用途，比如存储你的app的数据。

二、API 方式解析类方法的存储

OC 类原理探索：类的结构分析中用lldb对类方法的存储进行了解析，今天用API的方式来进行解析。

定义SSLPerson类：

@interface SSLPerson : NSObject {
    NSString *_hoby;
}
@property (nonatomic, strong) NSString *name;
@property (nonatomic, assign) int age;

- (void)eat;
+ (void)run;

@end
复制代码

1. 获取方法列表：class_copyMethodList

void logObjc_copyMethodList(Class pClass){
    unsigned int count = 0;
    Method *methods = class_copyMethodList(pClass, &count);
    for (unsigned int i=0; i < count; i++) {
        Method const method = methods[i];
        //获取方法名
        NSString *key = NSStringFromSelector(method_getName(method));
        
        NSLog(@"Method, name: %@", key);
    }
    free(methods);
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        SSLPerson *person = [SSLPerson alloc];
        Class pClass     = object_getClass(person);
        
        const char *className = class_getName(pClass);
        Class metaClass = objc_getMetaClass(className);
  
        logObjc_copyMethodList(pClass);
        SSLog(@"*************");
        logObjc_copyMethodList(metaClass);
    }
    return 0;
}

打印结果：
Method, name: eat
Method, name: name
Method, name: .cxx_destruct
Method, name: setName:
Method, name: age
Method, name: setAge:
*************
Method, name: run
复制代码

分别打印了类和元类中的所有方法；
metaClass打印的run属于元类中方法，其他属于类中方法。

2. 获取类方法：class_getInstanceMethod

void logInstanceMethod_classToMetaclass(Class pClass){
    
    const char *className = class_getName(pClass);
    Class metaClass = objc_getMetaClass(className);
    
    Method method1 = class_getInstanceMethod(pClass, @selector(eat));
    Method method2 = class_getInstanceMethod(metaClass, @selector(eat));

    Method method3 = class_getInstanceMethod(pClass, @selector(run));
    Method method4 = class_getInstanceMethod(metaClass, @selector(run));
    
    NSLog(@" %p \n %p \n %p \n %p",method1,method2,method3,method4);
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        SSLPerson *person = [SSLPerson alloc];
        Class pClass     = object_getClass(person);

        logInstanceMethod_classToMetaclass(pClass);
    }
    return 0;
}

打印结果：
0x1000083b8 
0x0 
0x0 
0x100008350
复制代码

class_getInstanceMethod(pClass, @selector(eat))得到了地址0x1000083b8，class_getInstanceMethod(metaClass, @selector(run))得到了地址0x100008350。
说明了eat属于类中方法，run属于元类中方法。

3. 获取元类方法：class_getClassMethod

void logClassMethod_classToMetaclass(Class pClass){
    
    const char *className = class_getName(pClass);
    Class metaClass = objc_getMetaClass(className);
    
    Method method1 = class_getClassMethod(pClass, @selector(eat));
    Method method2 = class_getClassMethod(metaClass, @selector(eat));

    Method method3 = class_getClassMethod(pClass, @selector(run));
    Method method4 = class_getClassMethod(metaClass, @selector(run));
    
    SSLog(@" %p \n %p \n %p \n %p",method1,method2,method3,method4);
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        SSLPerson *person = [SSLPerson alloc];
        Class pClass     = object_getClass(person);
        
        logClassMethod_classToMetaclass(pClass);
    }
    return 0;
}

打印结果：
0x0 
0x0 
0x100008350 
0x100008350
复制代码

class_getClassMethod函数解析：如果是个普通类就获取它的元类方法，如果已经是元类了，直接获取方法；
所以class_getClassMethod(pClass, @selector(run))和class_getClassMethod(metaClass, @selector(run))得到了方法地址0x100008350。

4. 获取类 imp ：class_getMethodImplementation

void logIMP_classToMetaclass(Class pClass){
    
    const char *className = class_getName(pClass);
    Class metaClass = objc_getMetaClass(className);

    IMP imp1 = class_getMethodImplementation(pClass, @selector(eat));
    IMP imp2 = class_getMethodImplementation(metaClass, @selector(eat));// 0
    // sel -> imp 方法的查找流程 imp_farw
    IMP imp3 = class_getMethodImplementation(pClass, @selector(run)); // 0
    IMP imp4 = class_getMethodImplementation(metaClass, @selector(run));
    
    SSLog(@" %p \n %p \n %p \n %p",imp1,imp2,imp3,imp4);
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        SSLPerson *person = [SSLPerson alloc];
        Class pClass     = object_getClass(person);
        
        logIMP_classToMetaclass(pClass);
    }
    return 0;
}

打印结果：
0x100003ba0 
0x7fff203895c0 
0x7fff203895c0 
0x100003bb0
复制代码

imp1是pClass的类方法，imp4是metaClass的元类方法。
为什么imp2和imp3也有值呢，看源码分析一下。

__attribute__((flatten))
IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL sel)
{
    IMP imp;

    if (!cls  ||  !sel) return nil;

    lockdebug_assert_no_locks_locked_except({ &loadMethodLock });

    imp = lookUpImpOrNilTryCache(nil, sel, cls, LOOKUP_INITIALIZE | LOOKUP_RESOLVER);

    // Translate forwarding function to C-callable external version
    if (!imp) {
        return _objc_msgForward;
    }

    return imp;
}
复制代码

可以看到!imp时，会返回_objc_msgForward，所以imp2和imp3有值。

三、isKindOfClass 面试题

看下面代码及打印结果：

void logKindOfDemo(void){
    BOOL re1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];
    BOOL re2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];
    BOOL re3 = [(id)[SSLPerson class] isKindOfClass:[SSLPerson class]];
    BOOL re4 = [(id)[SSLPerson class] isMemberOfClass:[SSLPerson class]];
    NSLog(@" re1 :%hhd\n re2 :%hhd\n re3 :%hhd\n re4 :%hhd\n",re1,re2,re3,re4);
    
    BOOL re5 = [(id)[NSObject alloc] isKindOfClass:[NSObject class]];
    BOOL re6 = [(id)[NSObject alloc] isMemberOfClass:[NSObject class]];
    BOOL re7 = [(id)[SSLPerson alloc] isKindOfClass:[SSLPerson class]];
    BOOL re8 = [(id)[SSLPerson alloc] isMemberOfClass:[SSLPerson class]];
    NSLog(@" re5 :%hhd\n re6 :%hhd\n re7 :%hhd\n re8 :%hhd\n",re5,re6,re7,re8);
}

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

打印结果：
re1 :1
re2 :0
re3 :0
re4 :0

re5 :1
re6 :1
re7 :1
re8 :1
复制代码

为什么会有这样的结果呢，接下来我们用源码进行方法分析。

1. 错误的源码

+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = self->ISA(); tcls; tcls = tcls->getSuperclass()) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}

- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
    for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->getSuperclass()) {
        if (tcls == cls) return YES;
    }
    return NO;
}
复制代码

网上针对这段源码分析的文章很多，其实这是不对的，这段代码是老版的，OC 2.0已经不用这段代码了。

2. 源码分析

OC 对象原理探索（一）中介绍过底层探索的三种方式，我们今天用汇编跟源码的方式解析这道面试题。

打断点 -> 开启汇编调试 -> 运行项目 -> 汇编中找到底层方法objc_opt_isKindOfClass：

isKindOfClass 源码分析

打开 objc4-818.2 源码，搜索objc_opt_isKindOfClass方法：

BOOL
objc_opt_isKindOfClass(id obj, Class otherClass)
{
#if __OBJC2__
    if (slowpath(!obj)) return NO;
    Class cls = obj->getIsa();
    if (fastpath(!cls->hasCustomCore())) {
        for (Class tcls = cls; tcls; tcls = tcls->getSuperclass()) {
            if (tcls == otherClass) return YES;
        }
        return NO;
    }
#endif
    return ((BOOL(*)(id, SEL, Class))objc_msgSend)(obj, @selector(isKindOfClass:), otherClass);
}
复制代码

objc_opt_isKindOfClass方法解析：
- 对象和类都调用了objc_opt_isKindOfClass方法；
- obj先获取它的类或者元类赋值给tcls，与otherClass进行比较，如果相等直接返回YES，如果不相等tcls循环取其父类与otherClass进行比较。
BOOL re1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];解析：
- [NSObject class]进入方法获取它的元类赋值给tcls，tcls = NSObject元类与[NSObject class]进行比较显然不相等；
- 进入循环tcls = NSObject元类取其父类是NSObject类，tcls = NSObject类与[NSObject class]进行比较相等，所以re1 = 1;
BOOL re3 = [(id)[SSLPerson class] isKindOfClass:[SSLPerson class]];解析：
- [SSLPerson class]进入方法获取它的元类赋值给tcls，tcls = SSLPerson元类与[SSLPerson class]进行比较显然不相等；
- 进入第一次循环tcls = SSLPerson元类取其父类是根元类，tcls = 根元类与[SSLPerson class]进行比较还是不相等；
- 第二次循环tcls = 根元类取其父类是NSObject类，tcls = NSObject类与[SSLPerson class]进行比较还是不相等；
- 第三次循环tcls = NSObject类取其父类是nil，tcls = nil与[SSLPerson class]进行比较还是不相等，所以re3 = 0。
re5 = 1。
re7 = 1。

isMemberOfClass 源码分析

打开 objc4-818.2 源码，搜索isMemberOfClass方法：

+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return self->ISA() == cls;
}

- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return [self class] == cls;
}
复制代码

+ (BOOL)isMemberOfClass方法解析：
- 当前类的元类和cls进行比较；
- (BOOL)isMemberOfClass方法解析：
- 当前对象的类和cls进行比较；
BOOL re2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];解析：
- [NSObject class]的元类和[NSObject class]进行比较不相等，所以re2 = 0。
BOOL re4 = [(id)[SSLPerson class] isMemberOfClass:[SSLPerson class]];解析：
- [SSLPerson class]的元类和[SSLPerson class]进行比较不相等，所以re4 = 0。
BOOL re6 = [(id)[NSObject alloc] isMemberOfClass:[NSObject class]];解析：
- [NSObject alloc]的类和[NSObject class]进行比较相等，所以re6 = 1。
BOOL re8 = [(id)[SSLPerson alloc] isMemberOfClass:[SSLPerson class]];解析：
- [SSLPerson alloc]的类和[SSLPerson class]进行比较相等，所以re8 = 1。