OC底层原理07-类的结构分析

一、类的本质

在《OC底层原理04-对象的本质》那篇文章中，我们讲到了如何将.m文件编译成.cpp文件查看底层结构，这里就不作过多赘述

1.1 在cpp文件找查找Class的定义

typedef struct objc_class *Class;
  • 在main.cpp中，找到了底层关于Class的定义，类是一个objc_class类型的结构体

1.2 接着进入objc4源码查找objc_class，源码相关可以查阅《OC底层原理02-iOS_objc4-781.2 最新源码编译调试》 

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }
    //: 由于代码量过大，这里只展示关键代码，源码请自行查阅
}
  • objc_class是一个结构体，所以进一步再次说明类也是一个结构体
  • objc_class继承于objc_object ，类也是对象，万物皆对象
  • objc_class继承了objc_object的isa属性，所以类的地址第一位仍然存的是isa
  • superclass：objc_object类型的结构体指针
  • cache：缓存
  • bits：存储属性，实例方法，协议

总结：类的本质是一个objc_class类型的结构体

二、 探索objc_class中的bits

类不能像对象那样直接断点调试打印，只有先从源码入手，分析源码，并且引入二种分析方法：

  • 地址平移：通过首地址+前面属性所占内存，平移到我们需要的存储属性(bits)的内存地址处 （文章结尾拓展有讲到）
  • *()：输出指针类型的对象

2.1 通过阅读源码定位bits内存地址

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }
    //: 由于代码量过大，这里只展示关键代码，源码请自行查阅
}
2.1.1 第一位属性：isa 的内存大小
  • 由于objc_class继承于objc_object，继承属性isa，占8字节
2.1.2 第二位属性：superclass 的内存大小
typedef struct objc_class *Class;
  • Class是一个objc_class的结构体，superclass是Class的指针，结构体指针大小为8，指向NSObject类，占8字节
2.1.3 第三位属性：cache 的内存大小
struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;
    explicit_atomic<mask_t> _mask;
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;
#if __LP64__
    uint16_t _flags;
#endif
    uint16_t _occupied;
//: 由于代码量过大，这里只展示关键代码，源码请自行查阅
  • cache_t结构体中有大量static类型的方法和变量，还有大量其他方法。
  • static申明的变量和方法不计入结构体内存，不会存在结构体中。
  • 方法也不会存在结构体中，也不计入结构体内存
  • cache_t大小由_buckets、_mask、_flags、_occupied来决定
  • _buckets是一个结构体指针<struct bucket_t *>，占8字节
  • _mask源码声明：typedef uint32_t mask_t，uint32_t源码声明：typedef unsigned int uint32_t，占4字节
  • _flags和_occupied都是uint16_t，uint16_t源码声明：typedef unsigned short uint16_t，各占2字节
  • 所以计算出cache占16字节，8+4+2+2
2.1.4 结论
  • 只要把GomuPerson首地址平移32位（isa[8位]+superclasss[8位]+ cache[16位]），就能拿到研究对象bits的指针地址

2.2 通过lldb调试拿到bits中的方法、属性、协议

2.2.2 准备工作
GomuPerson.h
@protocol TestProtocol <NSObject>

@end

@interface GomuPerson : NSObject
{
    NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, strong) NSString *name;
@property (nonatomic, strong) NSString *sex;

- (void)sayNO;
+ (void)sayLove;

GomuPerson.m
- (void)sayNO{}
+ (void)sayLove{}
  • 在objc4工程中创建类GomuPerson
  • 在GomuPerson.h中创建属性name，sex，协议TestProtocol，实例属性hobby，实例方法sayNO，类方法sayLove
  • 在GomuPerson.m中实现实例方法sayNO、类方法sayLove
2.2.2 获取类GomuPerson的首地址
//: 方法一
(lldb) p/x GomuPerson.class
(Class) $0 = 0x0000000100002320 GomuPerson
//: 得到地址 `0x0000000100002488 `
//: 方法二
(lldb) x/4gx person
0x1010297b0: 0x001d800100002325 0x0000000000000000
0x1010297c0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
(lldb) p/x 0x001d800100002325 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $2 = 0x0000000100002320
//: 得到地址 `0x0000000100002320 `
  • 得到GomuPerson的首地址0x0000000100002320
2.2.2 把GomuPerson的首地址平移32位
(lldb) p/x 0x0000000100002320 + 32
(long) $3 = 0x0000000100002340
  • 得到bits的地址0x0000000100002340
2.2.3 根据源码拿到bits.data() 
//: 源码
class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
class_rw_t *data() const {
    return bits.data();
}

//: lldb拿data()
//: 强转（class_data_bits_t *）类型
(lldb) p (class_data_bits_t *)$3
(class_data_bits_t *) $4 = 0x0000000100002340
//: 取出data()，指针取值用->
(lldb) p $4->data()
(class_rw_t *) $5 = 0x00000001006b0460
//: 去指针化
(lldb) p *($5)
(class_rw_t) $6 = {
  flags = 2148007936
  witness = 0
  ro_or_rw_ext = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = 4294975768
  }
  firstSubclass = nil  //: 子类
  nextSiblingClass = NSUUID
}
2.2.4 在源码中查看class_rw_t 
struct class_rw_t {
    //: 由于代码量过大，这里只展示关键代码，源码请自行查阅
    //: 获取ro()
    const class_ro_t *ro() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (slowpath(v.is<class_rw_ext_t *>())) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>()->ro;
        }
        return v.get<const class_ro_t *>();
    }
    //: 获取方法
    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()};
        }
    }
    // 获取属性
    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};
        }
    }
    // 获取协议
    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class_rw_t源码中，找到methods()、properties()、protocols()
2.2.5 获取方法列表methods()中存的方法
//: 获取methods()
(lldb) p $6.methods()
(const method_array_t) $7 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002160
      arrayAndFlag = 4294975840
    }
  }
}

//: 获取methods()中的list
(lldb) p $7.list
(method_list_t *const) $8 = 0x0000000100002160
//: 去指针化
(lldb) p *($8)
(method_list_t) $9 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
    entsizeAndFlags = 26
    count = 6
    first = {
      name = "sayNO"
      types = 0x0000000100000f4c "v16@0:8"
      imp = 0x0000000100000da0 (GomuTest`-[GomuPerson sayNO])
    }
  }
}

// count = 6 ，我们打印一下这6个元素
(lldb) p $9.get(0)
(method_t) $10 = {
  name = "sayNO"
  types = 0x0000000100000f4c "v16@0:8"
  //: 拿到 sayNO
  imp = 0x0000000100000da0 (GomuTest`-[GomuPerson sayNO])
}
(lldb) p $9.get(1)
(method_t) $11 = {
  name = "sex"
  types = 0x0000000100000f60 "@16@0:8"
  //: 系统自动生成get方法
  imp = 0x0000000100000e00 (GomuTest`-[GomuPerson sex])
}
(lldb) p $9.get(2)
(method_t) $12 = {
  name = "setSex:"
  types = 0x0000000100000f68 "v24@0:8@16"
  //: 系统自动生成set方法
  imp = 0x0000000100000e20 (GomuTest`-[GomuPerson setSex:])
}
(lldb) p $9.get(3)
(method_t) $13 = {
  name = ".cxx_destruct"
  types = 0x0000000100000f4c "v16@0:8"
  //: 系统自动生成c++函数
  imp = 0x0000000100000e50 (GomuTest`-[GomuPerson .cxx_destruct])
}
(lldb) p $9.get(4)
(method_t) $14 = {
  name = "name"
  types = 0x0000000100000f60 "@16@0:8"
  //: 系统自动生成get方法
  imp = 0x0000000100000db0 (GomuTest`-[GomuPerson name])
}
(lldb) p $9.get(5)
(method_t) $15 = {
  name = "setName:"
  types = 0x0000000100000f68 "v24@0:8@16"
  //: 系统自动生成set方法
  imp = 0x0000000100000dd0 (GomuTest`-[GomuPerson setName:])
}
  • 实例方法（sayNo）确定存在bits里面
  • 除了我们自定义的实例方法，系统在编译中自动帮我们实现了属性的get、set方法([GomuPerson sex]、[GomuPerson setSex:]、[GomuPerson name]、[GomuPerson name])
  • 除此之外，系统还实现了.cxx_destruct，c++的方法，因为OC是底层是封装的c++，所以会默认添加
  • 类方法sayLove没有存在bits里
  • 系统在编译中没有给实例属性hobby生成get、set方法
2.2.6 获取属性列表properties()中存的属性
//: 获取properties()
(lldb) p $6.properties()
(const property_array_t) $16 = {
  list_array_tt<property_t, property_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000100002260
      arrayAndFlag = 4294976096
    }
  }
}

//: 获取properties()中的list
(lldb) p $16.list
(property_list_t *const) $17 = 0x0000000100002260
//: 去指针化
(lldb) p *($17)
(property_list_t) $18 = {
  entsize_list_tt<property_t, property_list_t, 0> = {
    entsizeAndFlags = 16
    count = 2
    first = (name = "name", attributes = "T@\"NSString\",&,N,V_name")
  }
}

// count = 2 ，我们打印一下这2个元素
(lldb) p $18.get(0)
(property_t) $19 = (name = "name", attributes = "T@\"NSString\",&,N,V_name")
(lldb) p $18.get(1)
(property_t) $20 = (name = "sex", attributes = "T@\"NSString\",&,N,V_sex")
(lldb)
  • properties()中只存了属性name，sex。
  • 实例属性hobby没有存在properties()中
2.2.7 获取协议列表protocols()中存的协议
(lldb) p $6.protocols()
(const protocol_array_t) $7 = {
  list_array_tt<unsigned long, protocol_list_t> = {
     = {
      list = 0x0000000000000000
      arrayAndFlag = 0
    }
  }
}
(lldb) p $7.list
(protocol_list_t *const) $6 = 0x0000000000000000
//: $6 是个空，全为0
  • 协议也没有存在protocols中

2.3 探索实例属性、类方法、协议存在哪

2.3.1 实例属性存储探索
//: 拿到`GomuPerson`首地址
(lldb) p/x GomuPerson.class
(Class) $0 = 0x0000000100002320 GomuPerson
//: 地址平移32位
(lldb) p/x 0x0000000100002320 + 32
(long) $1 = 0x0000000100002340
//: 强转成(class_data_bits_t *)类型
(lldb) p (class_data_bits_t *)$1
(class_data_bits_t *) $2 = 0x0000000100002340
//: 取data()
(lldb) p $2->data()
(class_rw_t *) $3 = 0x00000001007646a0
// 去指针化
(lldb) p *($3)
(class_rw_t) $4 = {
  flags = 2148007936
  witness = 0
  ro_or_rw_ext = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = 4294975768
  }
  firstSubclass = nil
  nextSiblingClass = NSUUID
}
// 拿到ro()，同上面的`methods()`
(lldb) p $4.ro()
(const class_ro_t *) $5 = 0x0000000100002118
// 去指针化
(lldb) p *$5
(const class_ro_t) $6 = {
  flags = 388
  instanceStart = 8
  instanceSize = 32
  reserved = 0
  ivarLayout = 0x0000000100000f03 "\x03"
  name = 0x0000000100000ef8 "GomuPerson"
  baseMethodList = 0x0000000100002160
  baseProtocols = 0x0000000000000000
  ivars = 0x00000001000021f8
  weakIvarLayout = 0x0000000000000000
  baseProperties = 0x0000000100002260
  _swiftMetadataInitializer_NEVER_USE = {}
}
//: 拿到ivars
(lldb) p $6.ivars
(const ivar_list_t *const) $7 = 0x00000001000021f8
//: 去指针化
(lldb) p *$7
(const ivar_list_t) $8 = {
  entsize_list_tt<ivar_t, ivar_list_t, 0> = {
    entsizeAndFlags = 32
    count = 3
    first = {
      offset = 0x0000000100002290
      name = 0x0000000100000f0d "hobby"
      type = 0x0000000100000f54 "@\"NSString\""
      alignment_raw = 3
      size = 8
    }
  }
}
// 由于 ivar_list_t 是一个数组，所以直接get
(lldb) p $8.get(0)
(ivar_t) $9 = {
  offset = 0x0000000100002290
  //: 找到实例属性`hobby `
  name = 0x0000000100000f0d "hobby"
  type = 0x0000000100000f54 "@\"NSString\""
  alignment_raw = 3
  size = 8
}
(lldb) p $8.get(1)
(ivar_t) $10 = {
  offset = 0x0000000100002298
  //: 系统自动给属性生成`_name `实例属性
  name = 0x0000000100000f13 "_name"
  type = 0x0000000100000f54 "@\"NSString\""
  alignment_raw = 3
  size = 8
}
(lldb) p $8.get(2)
(ivar_t) $11 = {
  offset = 0x00000001000022a0
  //: 系统自动给属性生成`_sex`实例属性
  name = 0x0000000100000f19 "_sex"
  type = 0x0000000100000f54 "@\"NSString\""
  alignment_raw = 3
  size = 8
}
  • 实例属性hobby存在ro中
  • 系统在编译中还是给属性自动生成实例属性_name、_sex
2.3.2 类方法存储探索
2.3.2.1 查看源码
struct category_t {
    const char *name;
    classref_t cls;
    struct method_list_t *instanceMethods;
    struct method_list_t *classMethods;
    struct protocol_list_t *protocols;
    struct property_list_t *instanceProperties;
    // Fields below this point are not always present on disk.
    struct property_list_t *_classProperties;
   
    method_list_t *methodsForMeta(bool isMeta) {
        if (isMeta) return classMethods;
        else return instanceMethods;
    }

    property_list_t *propertiesForMeta(bool isMeta, struct header_info *hi);
    
    protocol_list_t *protocolsForMeta(bool isMeta) {
        if (isMeta) return nullptr;
        else return protocols;
    }
};
  • instanceMethods和classMethods都是method_list_t类型
  • 发现methodsForMeta这个方法，如果是元类，则返回类方法列表，如果不是元类，则返回实例方法列表
  • 猜想，类方法存在元类中
2.3.2.1 通过lldb调试元类，验证猜想
//: 拿到`GomuPerson`内存地址
(lldb) x/4gx GomuPerson.class
0x100002320: 0x00000001000022f8 0x0000000100334140
0x100002330: 0x000000010032e410 0x0000802c00000000
//: isa & mask
(lldb) p/x 0x00000001000022f8 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $1 = 0x00000001000022f8
//: 打印$1，GomuPerson的元类还是GomuPerson类型
(lldb) po $1
GomuPerson
//: 平移32位
(lldb) p/x $1 + 32
(unsigned long long) $2 = 0x0000000100002318
//: 强转成(class_data_bits_t *)类型
(lldb) p (class_data_bits_t *)$2
(class_data_bits_t *) $3 = 0x0000000100002318
//: 取data()
(lldb) p $3->data()
(class_rw_t *) $4 = 0x000000010104bee0
//: 去指针化
(lldb) p *$4
(class_rw_t) $5 = {
  flags = 2684878849
  witness = 1
  ro_or_rw_ext = {
    std::__1::atomic<unsigned long> = 4294975664
  }
  firstSubclass = nil
  nextSiblingClass = 0x00007fff8c84bc60
}
//: 拿到methods()
(lldb) p $5.methods()
(const method_array_t) $6 = {
  list_array_tt<method_t, method_list_t> = {
     = {
      list = 0x00000001000020f8
      arrayAndFlag = 4294975736
    }
  }
}
//: 取出methods()里面的list
(lldb) p $6.list
(method_list_t *const) $7 = 0x00000001000020f8
(lldb) p *$7
(method_list_t) $8 = {
  entsize_list_tt<method_t, method_list_t, 3> = {
    entsizeAndFlags = 26
    count = 1
    first = {
      name = "sayLove"
      types = 0x0000000100000f4c "v16@0:8"
      //: 找到类方法sayLove
      imp = 0x0000000100000d90 (GomuTest`+[GomuPerson sayLove])
    }
  }
}
2.3.3 协议的存储探索

暂时没探索到，后面找机会补起
三、拓展知识

3.1 内存平移

3.1.1 普通指针
int num1 = 20;
int num2 = 20;
int num3 = 20;
NSLog(@"%d---%p",num1,&num1);
NSLog(@"%d---%p",num2,&num2);
NSLog(@"%d---%p",num3,&num3);

//: 打印
20---0x7ffeefbff57c
20---0x7ffeefbff580
20---0x7ffeefbff584
  • num1、num2、num3都指向10，这个10系统编译中就已经存到了某段内存中，num1、num2、num3的地址却不一样，这就叫值拷贝，也叫浅拷贝
  • num1、num2、num3地址之间相差4字节，内存连续

  • 如下图


    image.png
3.1.2 对象指针
GomuPerson *person1 = [GomuPerson alloc];
GomuPerson *person2 = [GomuPerson alloc];
GomuPerson *person3 = [GomuPerson alloc];
        
NSLog(@"%p---%p",person1,&person1);
NSLog(@"%p---%p",person2,&person2);
NSLog(@"%p---%p",person3,&person3);

//: 打印
0x102230b50---0x7ffeefbff570
0x102234b00---0x7ffeefbff578
0x102234b20---0x7ffeefbff580
  • person1 、person2 、person3是指针，指向各自[GomuPerson alloc]开辟的内存，&person1 、&person2 、&person3是指向person1 、person2 、person3对象指针的地址，这个指针就是二级指针

  • 如下图


    image.png
3.1.3 数组指针
int arr[4] = {1,2,3,4};
int *d = arr;
NSLog(@"%p -- %p - %p", &arr, &arr[0], &arr[1]);
NSLog(@"%p -- %p - %p", d, d+1, d+2);

//: 打印
0x7ffeefbff570 -- 0x7ffeefbff570 - 0x7ffeefbff574
0x7ffeefbff570 -- 0x7ffeefbff574 - 0x7ffeefbff578
  • &arr、&arr[0]、d都是取的第一个地址，说明数组的首地址就是第一个元素的地址
  • 通过地址平移d+1，我们取到了arr[1]，数组指针地址平移，按照数组下标平移，内存中就是按照元素类型所占内存进行平移， 0x7ffeefbff574 -> 0x7ffeefbff578，因为是int类型所以平移4
  • 依次类推，结构体中也可以用地址平移的方式去拿不能直接拿到的属性
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