OC对象的本质（下）—— 详解isa&superclass指针

OC对象的本质（上）：OC对象的底层实现原理
 OC对象的本质（中）：OC对象的种类
 OC对象的本质（下）：详解isa&superclass指针

isa指针

先总结一下我们在对象的分类一文里面分析过的问题，OC对象氛围三类

instance对象，内部包含

成员变量
特殊的成员变量isa指针

class对象，用来描述instance对象，内部包含

isa指针
superclass指针
属性信息
对象方法信息（-方法）
协议信息
instance对象的成员变量的描述信息

meta-class对象，用来存放类方法，内部包含

isa指针
superclass指针
类方法信息（+方法）

oc对象的分类以及内部结构

对一个类来说，它的instance、class、mete-class对象之间，一定是有某种联系的。假设这种联系不存在，我们看看会碰到什么问题。比如我调用一个instance对象的方法

[InstanceObj InstanceObjMethod];

它的底层是

objc_msgSend(instanceObj, @sel_registerName("instanceObjMethod"));

也就是给instanceObj对象发消息。

在instance对象不跟外界关联的情况下，它内部只有一些成员变量信息，是不可能完成方法调用的，因为对象方法是存放在class对象里面的，对class对象调用+方法的时候也是一样，必须有办法跟meta-class对象关联起来，才能完成对+方法的调用。所以isa指针，就只它们之间的关联。可以通过下图来理解isa的作用。

isa指针的作用

大致可以归纳为

instance对象的isa指针指向class对象。当调用对象方法（-方法）时，通过instance的isa找到class，然后在class的方法列表里面找到对应的实现进行调用。
class对象的isa指针指向meta-class对象。当调用类方法（+）方法时，通过class的isa找到meta-class，最后在meta-class的方法列表找到对应的实现进行调用。

那么通过isa的桥接作用，我梦应该能更近一步地理解OC消息发送以及方法调用的过程了。

superclass指针

显而易见，从字面意思，我们就能知道，superclass就是父类的意思。
假定我们有以下几个类

@interface Person : NSObject
@end

@interface Student : Person
@end

我们知道superclass指针存在于class对象和meta-class对象里面。我们根据接下来的图示来阐述一下：

class的superclass指针

一个类的class对象里面的superclass指针指向该类的父类的class对象
当Student的instance对象要调用Person的对象方法时，会先通过isa找到Student的class对象，然后通过这个class对象的superclass找到Person（Student的父类）的class对象，最后找到相应的对象方法（-方法）的实现进行调用

meta-class的superclass指针

一个类的meta-class里面的superclass指针指向该类的父类的meta-class对象
当Student的class对象要调用Person的类方法时，会先通过isa找到Student的meta-class对象，然后通过这个meta-class对象的superclass找到Person（Student的父类）的meta-class对象，最后找到相应的类方法（+方法）的实现进行调用

isa、superclass总结

isa、superclass指针作用图例

上图来自苹果官方，完整描述了isa、superclass指针的作用，为了更加便于理解，我们在后面的图例中用Student代替subclass，Person代替superclass，NSObject代替rootclass。

instance的isa指向class

class的isa指向meta-class

meta-class的isa指向基类的meta-class

class的superclass指向父类的class，如果没有父类，superclass指针为nil

meta-class的superclass指向父类的meta-class,基类的meta-class的superclass指向基类的class

instance调用对象方法的轨迹
我们以[student abc];为例，student是Student类的实例对象,调用轨迹如下图

对于student来说，并不知道abc方法在哪里，唯一知道的就是可以去它的class对象里面找，

于是先通过isa指针进入Student类的class对象，如果在其中找到了abc就直接进行调用，调用过程结束，

没找到的话，就通过class对象的superclass指针进入Student类的父类，也就是Person类的class对象，重复上一步的查找逻辑

以此类推，一层一层往上寻找，如果最终到了基类，也就是NSObject类的class对象里面，还没找到的话，由于它的superclass为nil，最终就会碰到一个经典的报错[ERROR: unrecognized selector sent to instance],调用轨迹结束

class调用类方法的轨迹
我们以[Student abc];为例调用轨迹图如下

对与Student类来说，abc在哪也是不知道的，我们知道类方法被规定放在meta-class对象里面，所以

首先，通过Student的class对象的isa指针找到其meta-class对象，然后在方法列表里面寻找是否有abc，有的话就调用，调用逻辑结束。

没有的话，就通过meta-class对象的superclass指针找到Student的父类Person的meta-class对象，然后查找abc方法，找到就调用，结束调用轨迹

没有的话，就通过Person的meta-class对象的superclass指针，重复上一步的流程

一次类推，通过meta-class对象的superclass指针，一层层往上查找

如果到了基类（NSObject）的meta-class还没能够找到abc，此时比较特殊，接下来的superclass指针会找到NSObject的class对象，你可能会奇怪，我们调用一个类方法，怎么跑到class对象里面来了，先保留你的疑问，只需记住，苹果确实是这么设计的，此时会继续在NSObject的class对象里面，寻找abc，如果真的找到了abc，就会调用

如果还没有找到，由于此时的superclass是nil，最终系统将给出报错

面试题 isa指针指向哪里？

根据我们上面的梳理和总结，我们可以得出结论

isa(of instance) --> isa(of class) --> isa(of meta-class)
下面我们通过代码来验证一下

#import <Foundation/Foundation.h>
#import <objc/runtime.h>

@interface CLPerson : NSObject <NSCopying>

@end

@implementation CLPerson

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
        Class personClass = [CLPerson class];
        Class personMetaClass = object_getClass(personClass);
        NSLog(@"%p %p %p", person, personClass, personMetaClass);
    }
    return 0;
}

我们在代码中加入断点，通过控制台查看一下person的isa信息。但是貌似系统只给出了有限信息

还有个办法，可以右击红框中的isa，下拉菜单第一个有个打印功能Print Description of "xxx"，可以得到更为详细的输出

看起来结果仍然被系统包裹了一层
如果你习惯直接在代码上快捷操作，也可以这么做试试

但我还是喜欢用LLDB来查看，便于比较，和复制数据。

通过p/x命令来打印指针，/后面是打印参数，x参数表示用16进制数输出。因为我们知道person这个instance的结构体的包含一个isa成员变量，person本身就是指针，所以可以通过person->isa访问isa的值。
代码里面，personClass是Person类的class对象，输出结果显示，
person的isa = 0x001d8001000014d1
personClass = 0x00000001000014d0
它俩。。。并不相等！！！
这是什么情况？不是说好了instance对象的isa指向class对象嘛？

其实在64位机器出现之前，instance对象 的isa确实是直接指向class对象的，
也就是
person->isa == personClass，
从64bit开始，isa需要进行一次为运算，才能计算出真实的class对象地址，系统给我们提供了一个ISA_MASK,这个可以在objc4源码里面找到。我先直接贴出来

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
#   define ISA_BITFIELD                                                      \
      uintptr_t nonpointer        : 1;                                       \
      uintptr_t has_assoc         : 1;                                       \
      uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;                                       \
      uintptr_t shiftcls          : 33; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000*/ \
      uintptr_t magic             : 6;                                       \
      uintptr_t weakly_referenced : 1;                                       \
      uintptr_t deallocating      : 1;                                       \
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                       \
      uintptr_t extra_rc          : 19
#   define RC_ONE   (1ULL<<45)
#   define RC_HALF  (1ULL<<18)

# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
#   define ISA_BITFIELD                                                        \
      uintptr_t nonpointer        : 1;                                         \
      uintptr_t has_assoc         : 1;                                         \
      uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;                                         \
      uintptr_t shiftcls          : 44; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x7fffffe00000*/ \
      uintptr_t magic             : 6;                                         \
      uintptr_t weakly_referenced : 1;                                         \
      uintptr_t deallocating      : 1;                                         \
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                         \
      uintptr_t extra_rc          : 8
#   define RC_ONE   (1ULL<<56)
#   define RC_HALF  (1ULL<<7)

# else
#   error unknown architecture for packed isa
# endif

大家请看清这里是分了arm64和x86_64的，分别对应的是移动设备开发和mac开发。我的代码是一个mac命令行工程，所以我们用x86的这个值来试一下

可以看到，结果就显而易见了。通过和ISA_MASK进行一次&运算，我们得到了personClass的地址。同样，我们来试一下personClass的isa指针。

结果我试图通过personClass->isa先打印出其isa指针的时候，得到了错误提示，告诉我们说personClass的类型Class不是一个结构体，看不太明白，那就先查看一下Class的定义，typedef struct objc_class *Class;，然后在往下看一下objc_class的细节

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

虽然这个结构体里面有isa指针，但是尾部的OBJC2_UNAVAILABLE;提示我们，这已经是过时的API了。
不过我们在第一篇文章中，已经得出结论，知道class对象里面第一个成员变量确实是一个isa指针，我们可以通过一个小技巧来处理这个问题

struct cl_objc_class {
    Class isa;
};

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
        CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
        Class personClass = [CLPerson class];
        struct cl_objc_class *personClass2 = (__bridge struct cl_objc_class *)(personClass);
        Class personMetaClass = object_getClass(personClass);
        NSLog(@"%p %p %p", person, personClass, personMetaClass);
    }
    return 0;
}

我们自定义一个struct，包含一个isa指针，然后再借助这个结构体类型来读取personClass里面的内容，如上代码，我们用personClass2在来尝试一次

ok，结果显示，class对象的isa指针经过ISA_MASK转换之后，得到了正确的mete-class对象的地址。到此，上面的面试题相信大家已经可以完整回答了。在用一个图来总结一下就是

你会许还会问，那么superclass指针呢，是不是也需要一个什么mask转换？答案是不需要的，可以用上面相同的方法进行验证，这里不作赘述。总之isa指针稍微特殊一点点，特别记住一下关于ISA_MASK的细节就行。

深度窥探class/meta-class的内部结构----`struct objc_class`

在OC对象的本质（一）中，我们得知了一个事实，在class对象中，存放了一个类的方法列表、属性信息、协议信息、成员变量信息；在meta-class对象中，存放了类的类信息。但是还没有对其仔细验证过。下面我们就来研究一下这个问题。
因为class和meta-class的类型都是struct objc_class*,所以我们问题的答案，就都在这个objc_class里面。上面的段落我们已经看了它的结构了，很可惜是一个已经废弃的API,所以我们必须去最新的源码里面，去看一下它的实现。在objc4源码里面，我们找到如下objc_class的实现

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() { 
        return bits.data();
    }
//下面是一大堆的方法
...
...
...
}

这里的objc_class是一个C++的结构体，如果对C++不太熟的话，先不用过分纠结，可以借用OC的类来理解就行了，它们的相似度很高，可以有成员变脸，也可以有方法，区别主要是一些成员变量的默认作用域不一样。可以看到objc_class继承自objc_object，我们可以在源码objc-private.h里看一下objc_object的实现

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
//剩下的都是方法
...
...
...
}

看得出来，其实就是一个isa指针。于是和objc_class的内容融合一下，我们可以理解成下面的这个结构

struct objc_class {
    isa_t 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() { 
        return bits.data();
    }
//下面是一大堆的方法
...
...
...
}

很明显，objc_class的内部，头两个成员分别是isa和superclass，跑不了。但是下面的好像不是我们期待的内容，没看到方法列表、属性协议信息啥的呀。但是我门可以看到这里的第一个方法，返回一个class_rw_t *，看字面意思，class代表类，rw通常代表读写（readwrite），t通常指的是表信息（table），也就是类的可读写信息。那么我们有理由怀疑这里面肯定有宝贝。进去看一看

果然，原来方法、属性、协议信息都放在了这里。同时，我们还发现了一个class_ro_t *ro，字面就是只读表，类对象里面有什么信息是只读的呢？没错，成员变量信息，于是我们在进去验证一下

看上去推断是对的，确实找到成员变量信息。注意一下，这里的ivars是成员变量的描述信息，如名称，类型等，只需要一份的，所以存在class对象里面，成员变量的具体值是存在具体的instance对象里面的，不要理解混了。

对于meta-class来说，结构上和class是一样的，只不过有些内容可能用不到，例如属性，协议列表。meta-class的类方法信息其实就放在我们刚才看到的那个方法列表里面，没错。class对象的对象方法信息也正是放在这个方法列表里的

还有一点就是，怎么说呢，还是看图明白

途中我们看出来，objc_class有个成员变量bits，正是通过 bits & FAST_DATA_MASK，将objc_class和它的可读写表关联起来了。下面我引用大神的一张ppt总结一下struct objc_class的结构

面试题解答

对象的isa指针指向哪里？

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（也就是NSObject）的meta-class对象

OC的类信息存放在哪里？

对象方法，属性信息，成员变量信息，协议信息，存放在class对象中

类方法，存放在meta-class对象中

成员变量的具体值，存放在instance对象中

OC对象的本质（上）：OC对象的底层实现
 OC对象的本质（中）：OC对象的分类
 OC对象的本质（下）：详解isa&superclass指针

特别备注

本系列文章总结自MJ老师在腾讯课堂开设的OC底层原理课程，相关图片素材均取自课程中的课件。