runtime - iOS類對象、實例對象、元類對象

理解類與對象的本質對於掌握一門語言是至關重要的，本文將從結構類型的角度探討OC的類對象、實例對象、元類對象（Meta Class）。

我們先看一張圖：

 

 

iOS類、實例、元類關系圖.jpg

• 每個 Class 都有一個 isa 指針指向一個唯一的 Meta Class
• 每一個 Meta Class 的 isa 指針都指向最上層的 Meta Class，即 NSObject 的 MetaClass，而最上層的 MetaClass 的 isa 指針又指向自己

1.類對象

類對象是由程序員定義並在運行時由編譯器創建的，它沒有自己的實例變量，這里需要注意的是類的成員變量和實例方法列表是屬於實例對象的，但其存儲於類對象當中的。我們在objc.h下看看Class的定義:

/// An opaque type that represents an Objective-C class. typedef struct objc_class *Class; 

可見，Class是指向C的結構體objc_class的指針,我們再看一下objc_class的定義（runtime.h）：

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa;                                     // 指向所屬類的指針(_Nonnull)
    Class _Nullable super_class;                      // 父類  
    const char * _Nonnull name;                      // 類名(_Nonnull)
    long version;                                              // 類的版本信息(默認為0)   
    long info;                                                   // 類信息(供運行期使用的一些位標識)   
    long instance_size;                                    // 該類的實例變量大小
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars;        // 該類的成員變量鏈表
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists;  // 方法定義的鏈表                  
    struct objc_cache * _Nonnull cache;                        // 方法緩存
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols;        // 協議鏈表
} ;

• isa指針是和Class同類型的objc_class結構指針，類對象的指針指向其所屬的類，即元類。元類中存儲着類對象的類方法，當訪問某個類的類方法時會通過該isa指針從元類中尋找方法對應的函數指針。
• super_class為該類所繼承的父類對象，如果該類已經是最頂層的根類(如NSObject或NSProxy), 則 super_class為NULL。
• ivars是一個指向objc_ivar_list類型的指針，用來存儲每一個實例變量的地址。
• info為運行期使用的一些位標識，比如:CLS_CLASS (0x1L)表示該類為普通類, CLS_META (0x2L)則表示該類為元類。
• methodLists用來存放方法列表，根據info中的標識信息，當該類為普通類時，存儲的方法為實例方法；如果是元類則存儲的類方法。
• cache用於緩存最近使用的方法。系統在調用方法時會先去cache中查找，在沒有查找到時才會去methodLists中遍歷獲取需要的方法。

2.實例對象

實例對象是我們對類對象alloc或者new操作時所創建的，在這個過程中會拷貝實例所屬類的成員變量，但並不拷貝類定義的方法。調用實例方法時，系統會根據實例的isa指針去類的方法列表及父類的方法列表中尋找與消息對應的selector指向的方法。同樣的，我們也來看下其定義（objc.h）:

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

objc_object這個結構體只有一個isa變量，指向實例對象所屬的類。任何帶有以指針開始並指向類結構的結構都可以被視作objc_object, 對象最重要的特點是可以給其發送消息. NSObject類的alloc和allocWithZone:方法使用函數class_createInstance來創建objc_object數據結構。

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

id是一個objc_object結構類型的指針。該類型的對象可以轉換為任何一種對象，類似於C語言中void *指針類型的作用（objc.h）。

3.元類對象（MetaClass）

顧名思義，元類對象即是描述類對象的類，每個類都有自己的元類，也就是結構體objc_class中isa指向的類。Objective-C的類方法是使用元類的根本原因，因為其中存儲着對應的類對象調用的方法即類方法。

 

 

類存儲示意圖.jpg

 

由此可見，在給實例對象或類對象發送消息時，尋找方法列表的規則為:

*當發送消息給實例對象時，消息是在尋找這個對象的類的方法列表(實例方法)

*當發送消息給類對象時，消息是在尋找這個類的元類的方法列表(類方法)

所有元類都有一個根元類，比如所有NSObject的子類的元類都會以NSObject的元類作為他們的類。所有的元類使用根元類作為他們的類，根元類的元類則就是它自己，也就是說根元類的isa指針指向他自己。

這里我們可以進一步研究一下官方技術文檔runtime.h：

OBJC_EXPORT Class _Nullable
object_getClass(id _Nullable obj) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

這里object_getClass與NSObect.h中的類方法 +(Class)class;和實例方法+ (Class)class;有什么不同呢？請看源碼：

Class object_getClass(id obj) {
    return _object_getClass(obj);
}

static inline Class _object_getClass(id obj) {

    #if SUPPORT_TAGGED_POINTERS

    if （OBJ_IS_TAGGED_PTR(obj)）{
        uint8_t slotNumber = ((uint8_t)(uint64_t) obj) & 0x0F;
        Class isa = _objc_tagged_isa_table[slotNumber];
        return isa;
    }

    #endif

        if (obj) return obj->isa;   
        else return Nil;

}

_object_getClass函數就是返回對象的isa指針，也就是返回該對象所指向的所屬類。

+ (Class)class {
    return self; // 返回自身指針
}

- (Class)class {
    return object_getClass(self); // 調用'object_getClass'返回isa指針
}

總結一下實例對象，類對象以及元類對象之間的isa指向和繼承關系的規則為:
規則一: 實例對象的isa指向該類，類的isa指向元類(metaClass)
規則二: 類的superClass指向其父類，如果該類為根類則值為nil
規則三: 元類的isa指向根元類，如果該元類是根元類則指向自身
規則四: 元類的superClass指向父元類，若根元類則指向該根類

 

 

4、下面我們來看一個例子，方便更好的來理解元類的概念
同時我們首先理解幾個知識點

object_getClass(實例對象) == [實例對象 class]
[類對象 class] == 類對象
object_getClass(類對象) == 類對象的isa == 元類
object_getClass(類對象) != [類對象 class]

添加方法，其實是在 類對象/實例對象 中的isa指針的類中添加

 

首先定義一個 Obj的類

----------------------------------------------------
@interface Obj : NSObject
//實例方法
- (void)print1;
//類對象方法
+ (void)classPrint;
@end
@implementation Obj
//這里不去實現它，后面我們會通過runtime的知識添加方法
@end

 下面我們切換當控制器中 ----------------------------------------------------

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    
    
    Obj * obj = [Obj new];
    Class class11 = object_getClass(obj);
    Class class12 = [obj class]; //這個是獲取當前的類的對象，實例是就是isa指向的類對象，但是類對象指向確是自己本身
    
    
    
    NSLog(@"class1 :%p,class2 = %p",class11,class12);
    //class1 :0x1077b8f00,class2 = 0x1077b8f00
    
    
    Class class21 = object_getClass(class11);//Son的Class的元類
    Class class22 = [class12 class];//還是本身Son的Class
    Class classMeta= objc_getMetaClass(object_getClassName(obj));//Son的Class元類
    
    NSLog(@"class1 :%p,class2 = %p,classMeta = %p",class21,class22,classMeta);
    //class1 :0x1077b8ed8,class2 = 0x1077b8f00,classMeta = 0x1077b8ed8
    //在給對象或者類添加方法的時候，其實是給isa 指向的類添加方法，就是說 一個普通的對象是給它的class添加方法，而 一個普通的類對象，需要添加方法其實是給它isa指向的 元類添加方法
    
    //給obj實例對象 添加 方法
    class_addMethod(class11, @selector(print1), (IMP)IMPFunc, NULL);
    [obj print1];
    
    //給obj的類對象添加方法
    class_addMethod(class21, @selector(classPrint), (IMP)IMPMetaClassFunc, NULL);
    [Obj classPrint];
    
}

void IMPFunc(id self ,SEL cmd) {
    
    NSLog(@"print1");
}
void IMPMetaClassFunc(id self ,SEL cmd) {
    
    NSLog(@"IMPMetaClassFunc");
}

 

 

參考文章

1.[格物致知iOS類與對象] https://mp.weixin.qq.com/s/iBELEyUfnShnLhS5xJh4mQ

2.[清晰理解Objective-C元類]http://blog.csdn.net/beclosedtomyheart/article/details/50164353

3.[Objective-C Runtime 運行時之一：類與對象]http://southpeak.github.io/2014/10/25/objective-c-runtime-1/