iOS 底层探索篇 —— 类的原理分析-上-一一网

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一. 类的原理分析

类的原理分析主要是分析 isa以及 继承关系.

从 isa 开始探索 – isa走位链

首先我们先获得isa的掩码 0x00007ffffffffff8ULL，然后获得对象的地址，拿到对象的isa。

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至此，我们得到了isa的掩码：0x00007ffffffffff8ULL以及对象的isa：0x011d800100008365，然后我们将这两个进行与运算，就可以得到我们的类的地址 0x0000000100008360,并且我们po 一下这个地址，证明确实是LGPerson类。

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那么我们猜想一下，我们是否可以 x/4gx 这个类的地址？我们来实验一下。

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由图片可以知道，类也有相应的内存结构，那么 0x0000000100008338是不是类的 isa 呢？
我们把 0x0000000100008338与掩码进行一下与运算试一试。

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从图片可知，两者运算后，得到的依然是LGPerson类，那么我们试着打印出两者运算后的地址
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得到了两者运算后的地址为0x0000000100008338，我们从前面的运算可以知道，LGPerson类的地址为0x0000000100008360，那么为什么这个0x0000000100008338也是LGPerson类呢？是不是因为类和对象一样无限开辟，内存不止有一个类呢？我们来验证一下。

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这里我们创建了多个LGPerson的class，我们打印他们的地址，看看他们的地址是否相同。

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这就意味着，只有 0x100008360才是我们的LGPerson类，而0x0000000100008338不是，他是一个新的东西，这个东西就是 元类 。

元类

对象的isa 是指向类，类其实也是一个对象，可以称为 类对象 ，其isa的位域指向苹果定义的 元类 ，元类是类对象的类。
元类在代码里是不存在的，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。
元类的存在是必需的，因为他存储了一个类的所有类方法。每个类的元类都是独一无二的，因为每个类都有一系列独特的类方法。
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

用MachOView(烂苹果)进行探索元类

烂苹果是分析Macho的必备工具，我们打开烂苹果，并打开Section64 （_DATA,_objc,classrefs）下的 ObjC2 References。

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这里只有LGPerson，LGTeacher以及NSObject.我们再打开Section64 （_DATA_CONST,_objc,classlist）.

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依然只有 LGTeacher：0000001000008310以及 LGPerson：0000001000008360.
接下来我们去到 Symbol table 里面的 symbols 查找 class .

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这里面多了一个东西，就是_OBJC_METACLASS_$_LGTeacher, 以及_OBJC_METACLASS_$_LGPerson，说明了我们多了一个东西就是元类，并且元类是系统进行生成和编译的.

探索到此，我们知道了对象的isa指向类，类的isa指向了元类，那么元类的isa指向哪里呢？一起来探索一番.

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我们用 0x00007fff80715fe0与掩码进行与运算，并且po输出得到的地址，看看他到底是个啥。

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那么我们就可以看到，元类的isa 指向的是NSObject，也就是根元类.那么根元类的isa又指向哪里呢？

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由图片可知，根元类的isa指向了自己。

接下来我们继续探索NSObject.class.
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由上图看到，我们的NSObject和上面的地址不一样，我们打印一下我们得到的地址.

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由上图看到，NSObject的isa是0x00007fff80715fe0，我们再将这个地址与掩码进行与运算.

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然后将再打印一下0x00007fff80715fe0.

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我们发现，我们得到的与之前的根元类相同，并且isa也指向了自己。从对象的isa到根元类，
我们总共走了3步。
对象isa ➡️ 类isa ➡️ 元类isa➡️ 根元类。
而从NSObject对象到根元类，则只需要2步。
根对象isa ➡️ 根类isa ➡️ 根元类
这就得出来一个非常经典的isa走位图：

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继承链

类之间的继承关系

我们用一个继承自LGPerson类的LGTeacher类来探索类之间的继承关系。

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由上面的图片可以得知，LGTeacher继承自 LGPerson， LGPerson继承自NSObject，而NSObject继承自Nil。

由此可以得出类之间的继承关系：

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.

元类之间的继承关系

探索完类之间的继承关系，我们继续探索 元类之间的继承关系 。

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我们先来看LGTeacher 的元类，从输出可以看到，继承自LGPerson，那么他是继承自LGPerson类还是元类呢，我们来验证一下.

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从上面的图可以看出， LGTeacher的元类 是继承自 LGPerson的元类 的。

那么LGPerson元类是继承自哪里的呢，我们来看一下：

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由上图中可以看到， LGPerson的元类 是继承自 NSObject 元类 的。

继续探索一下NSObject元类是继承自哪里的：

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我们先获得了 根元类（NSObject） ，然后打印出根元类的superclass，由lldb可以看出， 根元类 继承自 根类（NSObject） 。

我们最后来看一下根类NSObject的继承关系：

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由输出可以看到， 根类 是继承自 null 的。

那么由上面的探索过程，我们可以得到：
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
根类 继承于 null

继承链关系图：

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结合isa的走位图以及继承链，我们可以证明一张来自苹果官方文档的图。

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二. 类的结构分析

首先看到我们的LGPerson类的内容。

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输出一下LGPerson类

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由上图可以看出，LGPerson类是有内存的，那么内存里面储存的是啥呢。我们知道类的本质是objc_class.
我们在objc源码中搜索 objc_class 的定义：

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我们可以看到这里有一个关于objc_class结构体的定义，但是我们注意到，下面有 OBJC2_UNAVAILABLE , 这就说明了这个结构体再objc2 中是无效的，所有这个并不是我们要找的。
继续在objc源码中寻找：

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终于我们找到了objc_class结构体的定义，并且发现 objc_class 是继承自 objc_object 的，那么我们在源码中寻找objc_object，看看objc_object里面有什么成员。

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有图中可以看到， objc_object 里面有 isa ，由于objc_class 继承自objc_object，所以objc_class也拥有了 isa属性 。
我们还看到 objc_class 中有三个成员： Class superclass ， cache_t cache 以及 class_data_bits_t bits 。其中 superclass 我们知道是当前的 父类 ，那么 cache 以及bits 是什么东西呢。

内存偏移

普通指针

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由图片可以知道，

a、b都指向10，但是a、b的 地址不一样 ，这是一种 拷贝 ，属于 值拷贝 ，也称为 深拷贝
a,b的地址之间相差 4 个字节，这取决于a、b的类型

地址指向如下图

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对象指针

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由图片可以知道，

p1、p2 是指针，p1，p2 是指向 [CJLPerson alloc]创建的空间地址，即内存地址.p1、p2 地址不同，指向的空间也不同。
&p1、&p2是指向 p1、p2对象指针的地址，这个指针就是二级指针.

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数组指针

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由上图可得：

&c 和 &c[0]都是取 首地址，即数组名等于首地址
&c 与 &c[1] 相差4个字节，地址之间相差的字节数，主要取决于存储的数据类型
可以通过 首地址+偏移量取出数组中的其他元素，其中偏移量是数组的下标，内存中首地址实际移动的字节数等于 偏移量 * 数据类型字节数

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类的地址平移

平移地址计算

由上面的探索我们知道，类有4个成员：

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
cache属性：cache_t类型，不知道占多少字节
bits属性： class_data_bits_t，不知道占多少字节

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由上图可知道，0x00000001000083a8指向LGPerson的元类，可以证明 0x00000001000083a8 确实是isa。

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由上图可知道，0x000000010036a140 是指向NSObject，可以证明 0x000000010036a140确实是superclass。

我们来看一下cache_t类型占多少字节，我们找到cache_t的结构体：

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因为方法在方法区不占结构体内存以及static在全局区也不在结构体内存中，所以底下的方法以及static属性可以忽略掉。所以我们只需要看这些变量就可以。

首先是 explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask这个属性，这个属性占多少内存呢。

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我们看到explicit_atomic是一个范型，那么真正决定占用多少内存的就是uintptr_t 这个家伙，而这个家伙实际上是unsigned long 类型，unsigned long在64位中占8个字节。也就是说， explicit_atomic<uintptr_t> _bucketsAndMaybeMask这个属性是占8个字节的。

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接下来是一个联合体，我们知道联合体变量是互斥的，所有的成员共占一段内存，占用的内存等于最大的成员占用的内存。

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在联合体中，我们可以看到是 explicit_atomic<preopt_cache_t *> _originalPreoptCache 这个指针所占用的内存最大为8，所以这个联合体占用的内存是8.
所以我们只要平移LGPerson类的首地址平移 8 + 8 + 16 = 32 位，就可以得到bits的地址。