面試遇到Runtime的第二天-isa和meta-Class
本文主要寫一下，runtime中關於類，元類的結構和他們之間的關係。其實應該在上一篇文章面試遇到Runtime的第一天中先寫本文的內容，但是寫那天剛好在整理category的知識點，所以趁熱打鐵的就寫在了上一篇文章。如果在閱讀時遇到有比較難理解的點，不妨可以先閱讀本文，再去閱讀面試遇到Runtime的第一天中的內容。
runtime簡介
閱讀過面試遇到Runtime的第一天，你肯定就已經知道，runtime通俗點說就是一套底層API，那麼我們通過什麼方式可以呼叫到它呢？
- OC（Objective-C 後文簡稱OC）上層方法直接呼叫
我們編寫的OC程式碼，在編譯階段會自動轉換成執行時程式碼
- NSObject API
NSObject可以看做是所有類的基類（NSProxy除外），NSObject協議中定義瞭如下這些可以從runtime中獲取資訊的方法
- (BOOL)isKindOfClass:(Class)aClass;
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)aClass;
- (BOOL)conformsToProtocol:(Protocol *)aProtocol;
- (BOOL)respondsToSelector:(SEL)aSelector;
複製程式碼- runtime api
當然我們也可以手動呼叫runtime API，需要匯入objc/Runtime.h和objc/message.h兩個標頭檔案
NSObject
從NSObject原始碼入手
先看NSObject的定義
@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
複製程式碼只有一個Class型別的isa，找到Class的定義，是一個objc_class的結構體
typedef struct objc_class *Class;
複製程式碼 這裡我們直接看Objc2.0之後，objc_class的定義（忽略了部分本文不討論的程式碼）
typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;
@interface Object {
Class isa;
}
@interface NSObject <NSObject> {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
}
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
}
union isa_t
{
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
Class cls;
uintptr_t bits;
}
複製程式碼從原始碼中我們可以證實以下幾點：
- objc_object被typedef為id，也就是我們常見的id型別，id 這個struct的定義本身就帶了一個 * 所以我們在使用其他NSObject型別的例項時需要在前面加上\ *， 而使用 id 時卻不用。
- objc_class繼承自objc_object，所以OC中的類也是一個物件，而類物件的isa則指向meta class
- object類和NSObject類裡面分別都包含一個objc_class型別的isa
物件，類，元類
這張圖中的關係我們需要好好的理解（並且記憶）一下，也有助於我們之後對runtime的理解
- Root class (class)其實就是NSObject，NSObject是沒有超類的，所以Root class(class)的superclass指向nil。
- 每個Class都有一個isa指標指向唯一的Meta class
- Root class(meta)的superclass指向Root class(class)，也就是NSObject，形成一個迴路。
- 每個Meta class的isa指標都指向Root class (meta)。
元類
元類這個概念比較抽象，他為什麼存在呢？可以從呼叫類方法開始說起：
NSStringEncoding defaultStringEncoding = [NSString defaultStringEncoding];
複製程式碼上面這句程式碼可以正確執行，說明OC不僅可以給物件傳送訊息，也同樣可以給類傳送訊息，因為上面我們也提到了，OC中類也是一個物件。
那麼，當給類傳送訊息的時候，類物件的isa就指向了meta-class，所以要去meta-class中去找到該方法的實現。
可以理解為，meta-class的存在是為了統一OC中所有物件訊息查詢轉發的流程，或者說是引入meta-class來保證無論是類還是物件都能通過相同的機制查詢方法的實現。
- 例項方法呼叫時，通過物件的 isa 在類中獲取方法的實現
- 類方法呼叫時，通過類的 isa 在元類中獲取方法的實現
這裡又引出了幾個面試題：
問：物件的例項方法存在哪兒？類方法存在哪兒？
答：當一個物件的例項方法被呼叫時，會通過isa找到對應的類，然後在該類的class_data_bits_t中去查詢方法對應的實現，所以例項方法是存在類中的，而類方法是存在元類中的。
問：類方法在元類中是以什麼形式存在？
答：類方法在元類中是以例項方法存在，並且，物件在類中是一個例項，類在元類中也是一個例項。所以，類的類方法，就是元類的例項方法。（這裡比較繞，多讀幾遍，好好理解）
cache_t的具體實現
繼續看原始碼
struct cache_t {
struct bucket_t *_buckets;
mask_t _mask;
mask_t _occupied;
}
typedef unsigned int uint32_t;
typedef uint32_t mask_t; // x86_64 & arm64 asm are less efficient with 16-bits
typedef unsigned long uintptr_t;
typedef uintptr_t cache_key_t;
struct bucket_t {
private:
cache_key_t _key;
IMP _imp;
}
複製程式碼Cache的作用主要是為了加速訊息分發， 系統會對方法和對應的地址進行快取，所以在實際執行中，大部分常用的方法都是會被快取起來的，Runtime系統實際上非常快，接近直接執行記憶體地址的程式速度。
class_data_bits_t的具體實現
struct class_data_bits_t {
// Values are the FAST_ flags above.
uintptr_t bits;
}
struct class_rw_t {
uint32_t flags;
uint32_t version;
const class_ro_t *ro;
method_array_t methods;
property_array_t properties;
protocol_array_t protocols;
Class firstSubclass;
Class nextSiblingClass;
char *demangledName;
}
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;
method_list_t *baseMethods() const {
return baseMethodList;
}
};
複製程式碼這兩部分本文不做過多的闡述，後面在寫訊息查詢轉發的時候在詳細介紹，這裡先簡單瞭解一下即可。
實戰
上面囉裡囉嗦的寫了一堆，看文章看到這裡可能也是似懂非懂的樣子，下面通過我們最常用的幾個方法，來實戰一下上面講解的理論知識，幫助我們理解記憶。
[self class] 與 [super class]
如下程式碼列印結果是什麼？
@interface Sark : NSObject
複製程式碼- (id)init
{
self = [super init];
if (self)
{
NSLog(@"%@",NSStringFromClass([self class]));
NSLog(@"%@",NSStringFromClass([super class]));
}
return self;
}
複製程式碼列印結果：
14:17:56.444058+0800 test[30316:787077] Sark
14:17:56.444177+0800 test[30316:787077] Sark
複製程式碼解釋一下為什麼NSLog(@"%@",NSStringFromClass([super class]));也輸出了Sark
- self 不一定是當前類,self只是一個形參 objc_msgSend(id self,SEL _cmd) 取決於訊息的接收者
- 在呼叫[super class]的時候，runtime會去呼叫objc_msgSendSuper方法
OBJC_EXPORT void objc_msgSendSuper(void /* struct objc_super *super,SEL op,... */ )
/// Specifies the superclass of an instance.
struct objc_super {
/// Specifies an instance of a class.
__unsafe_unretained id receiver;
/// Specifies the particular superclass of the instance to message.
#if !defined(__cplusplus) && !__OBJC2__
/* For compatibility with old objc-runtime.h header */
__unsafe_unretained Class class;
#else
__unsafe_unretained Class super_class;
#endif
/* super_class is the first class to search */
};
複製程式碼在objc_msgSendSuper方法中，第一個引數是一個objc_super的結構體，這個結構體裡面有兩個變數，一個是接收訊息的receiver，一個是當前類的父類super_class。
- objc_msgSendSuper的工作原理應該是這樣的: 從objc_super結構體指向的superClass父類的方法列表開始查詢selector，找到後以objc->receiver去呼叫父類的這個selector。注意，最後的呼叫者是objc->receiver = self，而不是super_class！
isKindOfClass 與 isMemberOfClass
如下程式碼列印結果是什麼？
BOOL res1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];
BOOL res2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];
BOOL res3 = [(id)[Sark class] isKindOfClass:[Sark class]];
BOOL res4 = [(id)[Sark class] isMemberOfClass:[Sark class]];
NSLog(@"%d %d %d %d",res1,res2,res3,res4);// yes no no no
複製程式碼檢視isKindOfClass和isMemberOfClass的原始碼：
+ (Class)class {
return self;
}
- (Class)class {
return object_getClass(self);
}
Class object_getClass(id obj)
{
if (obj) return obj->getIsa();
else return Nil;
}
inline Class
objc_object::getIsa()
{
if (isTaggedPointer()) {
uintptr_t slot = ((uintptr_t)this >> TAG_SLOT_SHIFT) & TAG_SLOT_MASK;
return objc_tag_classes[slot];
}
return ISA();
}
inline Class
objc_object::ISA()
{
assert(!isTaggedPointer());
return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
}
+ (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
for (Class tcls = object_getClass((id)self); tcls; tcls = tcls->superclass) {// 第一次就獲取到了class -> meta class 然後再遍歷superclass
if (tcls == cls) return YES;
}
return NO;
}
- (BOOL)isKindOfClass:(Class)cls {
for (Class tcls = [self class]; tcls; tcls = tcls->superclass) {//第一次獲取了self -> class 然後再遍歷superclass
if (tcls == cls) return YES;
}
return NO;
}
+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
return object_getClass((id)self) == cls;
}
- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
return [self class] == cls;
}
複製程式碼分析：
- isKindOfClass 區分例項方法和類方法的實現不同 類方法迴圈首先取了isa指標 第一次就獲取到了class -> meta class 然後再遍歷superclass 而例項方法是第一次獲取了self -> class 然後再遍歷superclass
- isMemberOfClass 沒有遍歷 直接比較
因此，第一行程式碼 BOOL res1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];的判斷流程是：
- [NSObject class] --> NSObject
- NSObject 和 NSObject meta-Class 不相等 然後對NSObject meta-Class取super class
- NSObject 和 NSObject 相等 返回 yes
對NSObject meta-Class取super class用到裡圖裡紅圈標識出來的關係，得到結果是NSObject
第二行程式碼 BOOL res2 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];的分析流程是：
- [NSObject class] --> NSObject
- object_getClass(NSObject) --> NSObject meta-Class
- NSObject 和 NSObject meta-Class不相等 返回 NO
第三行程式碼 BOOL res3 = [(id)[Sark class] isKindOfClass:[Sark class]]; Sark取meta-Class然後再一直遍歷找super_class，最終也不會找到相等的，返回NO
第四行程式碼 BOOL res4 = [(id)[Sark class] isMemberOfClass:[Sark class]]; Sark和Sark meta-Class不相等，返回NO
總結
經過上面兩個小問題的實戰，是不是對物件、類、元類之間的關係有了更深刻的理解，簡單總結一下：
- 每個類都有一個唯一對應的元類
- 類物件的isa指向了元類
- 元類中以例項方法的形式儲存了類的類方法
- 根元類（Root meta class）的isa指向自己，super class為NSObject,形成一個閉環