深入探究 Objective-C 对象的底层原理 | 文末福利不可错过
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了深入探究 Objective-C 对象的底层原理 | 文末福利不可错过相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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杨立——京东商城ios研发工程师
熟悉移动端领域主流的开发架构，曾主导开发拍拍二手APP中商详、店铺、集市详情等项目。喜欢探究技术原理，有特别的好奇心和编程洁癖。
职业信仰：编程是一门艺术，若爱请深爱。
本文基于对象的实现原理来深入剖析 OC 的底层相关原理。这里并不会简单的介绍纯理论知识，而是借助工具和编码实现相关业务逻辑并作论述。
>>>> 内容简介
1、instance对象的内存探究
2、OC对象的分类及其底层数据结构
3、isa/superclass指针
4、OC对象相关总结
>>>> 一、instance对象的内存探究
我们平时创建一个 OC 对象是这样的： NSObject*obj=[[NSObjectalloc]init];但是我们这样编写一行代码之后，不妨思考下：它最终会生成什么样子的代码？obj 对象的内存分配是怎样的？对象底层的数据结构是如何的？带着这些疑问，我们可以一探究竟。
众所周知：OC 在编译器的作用下，最终会转成 C/C++ 代码，进而转成汇编代码，最后才会生成机器可以识别的二进制代码，如下图：
因此，作为 iOS 工程师理论上我们可以通过C/C++、汇编、机器语言来探究它的底层。但由于篇幅原因，本文会重点从 C/C++ 层面来一一论述。
要想看 obj 的底层实现，我们需要借助 clang（Xcode自带的编译器前端） 编译器进行编译。基于简单考量，我们可以建立一个命令行项目，然后 cd 到 main.m 的目录下，通过终端运行指令：
$: xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main_arm64.cpp
具体操作可参考下图：
此时生成的 main_arm64.cpp 就是 main.m 在编译后的源码文件。通过查阅源码发现：NSObject转成 C++ 代码长这样子的：
二者极其的相似，而 Class 又是这样定义的: typedef struct objc_class Class，说白了它就是一个结构体！因此说，一个 NSObject 类编译后是一个 C++ 的结构体，结构体的成员变量仅包含一个 isa。因此我们可以得出结论：一个 NSObject 对象在内存分配上相当于包含一个成员变量的结构体的内存分配。而该结构体在64bit 系统下只占用8个字节（当然32bit下占用4个字节），也就是说 obj 对象在内存分配上实际占用8个字节。
我们不妨继续深入探究来验证上述结论。通过 runtime 的 classgetInstanceSize(Class _Nullable cls) 我们可以获取 NSObject 的实例对象所占用内存的大小；通过 extern sizet malloc_size(const void *ptr) 可以获得 obj 指针所指向的那块内存的大小。但是，二者有什么区别吗？我们可以通过 Xcode 日志查看一下，如图：
打印结果不一样！为什么？带着这个好奇心我们不妨通过两个函数的具体实现来解释说明。
实际上，目前来说苹果的很多底层实现都是开源的了。我们可以在苹果开源上来下载源码阅读，本文内容中只需下载 objc4 即可。查阅源码后不难发现：class_getInstanceSize 的底层实现其实就是依次调用了：alignedInstanceSize()、word-align()。我们都知道 alloc 的内部实际是调用了allocWithZone:，而通过源码发现 allocWithZone 内部又是依次调用了：objc-rootAllocWithZone > class-createInstance > class-createInstanceFromZone > instanceSize > alignedInstanceSize > word-align。仔细看可以发现，最后两步的函数调用二者是一样的。但是关键一步在于：instanceSize()。如图：
原来苹果在 CF 框架内部硬性规定了所有的对象在内存上必须至少是占用16个字节。也就是说：alignedInstanceSize() 内存对齐后是8个字节，由于extraBytes等于0，因此 size < 16成立，所以最终的 size 返回的是16！
综上：也就解释了为什么打印了 8 和 16 不同的结果。实际上，我们可以这么理解class_getInstanceSize、mallocsize的区别：前者是获得NSObject实例对象的成员变量所占用的大小，后者是操作系统实际上给NSObject的实例对象 obj 分配的内存大小。打个比方：我今天去菜市场买肉，我本来只要半斤就够吃了，但是卖肉的老板必须卖给我一斤，因为老板卖肉的规则就是至少是每人每次卖一斤，且必须也是一斤的整数倍量。
假如现在我定义一个 Person 类，其内部包含一个成员变量：int age; 那么我们猜一下class_getInstanceSize、mallocsize分别会打印多少？答案是：16、16。没错的，因为这里涉及到一个结构体成员数据对齐的常识。即在结构体中，成员数据对齐需满足以下规则：
结构体的总大小是对齐模数（对齐模数等于#pragma pack(n)所指定的n与结构体中最大数据类型的成员大小的最小值）的整数倍。
因此，在包含一个成员变量的 Person 类中，编译后生成的 C++ 结构体中本质上是有两个成员：isa、age，由于 isa 占用8个字节，age 类型为 int 占用4个字节，为了满足规则第三条：结构体的总大小必须是最大数据类型的成员大小的整数倍，就是 8 的整数倍为 16。
综上，一个 OC 对象在编译后会生成一个 C++ 结构体，结构体中包含了所有的成员变量和一个 isa，在内存分配上会按照一定的对齐规则进行管理。
>>>> 二、OC对象的分类及其底层数据结构
上面讲述了 instance 对象本质的一些认识，接下来重点阐述 OC 三大对象的底层之间的相互关系。
从语言设计角度来划分，可将 OC 对象分为三大类：
实例对象，
类对象
元类对象
>>>> 1、如何获取三大对象的地址？
首先导入头文件 #import <objc/runtime.h>并创建以下对象：
obj1、obj2为两个不同的实例对象
NSObject*obj1=[[NSObjectalloc]init];
NSObject*obj2=[[NSObjectalloc]init];
objClass1、objClass2、objClass3、objClass4为NSObject的类对象
ClassobjClass1=[obj1class];
ClassobjClass2=[obj2class];
ClassobjClass3=object_getClass(obj1);
ClassobjClass4=object_getClass(obj2);
objMetaClass1、objMetaClass2为NSObject的元类对象
ClassobjMetaClass1=object_getClass(objClass2);
ClassobjMetaClass2=object_getClass(objClass4);
>>>> 2、对象的底层数据结构
今假设存在以下三种类 JDMan、JDPerson、NSObject，
继承关系为：JDMan继承自JDPerson，JDPerson继承自NSObject。
且JDPerson包含2个成员变量、1个属性、1个对象方法，1个类方法；JDMan同JDPerson
如图所示：
结合前边讨论，我们可将OC的类编译成C++代码，如下图所示：
不难发现：所有的实例对象的C++结构体中仅仅包含了成员变量(当然也存储这一个isa指针和一个superclass指针)，也就是说实例对象仅仅存储各自的成员变量的值。那么他们的对象方法、类方法、甚至协议等相关信息存储在哪里呢？
我们不妨先来思考一个事情：对象可以创建多个，每个对象都有自己的成员变量和对应的值，但是方法大家调用的都是同一个，不管你是实例对象还是类对象都是调用的一个方法。因此OC在设计这门语言的时候，我们有必要将只需要存储一份的数据交给实例对象去管理吗？肯定不需要。
上述我们发现而类对象和元类对象正好在内存中只有一份。这恰巧在某种程度上佐证了一个事实：实例方法存储中类对象中，类方法存储在元类对象中。
当然如果进一步分析的话，类对象中都存储着以下信息数据：
isa指针
superclass指针
类的成员变量信息（ivar）
类的属性信息（@property）、
类的协议信息（@protocol）、
类的对象方法信息（instance method）、
......
而元类对象中存储的信息数据包括：
isa指针
superclass指针
类的类方法信息（classmethod）
......
上述只是我们主观的分析得出的结论。那么接下来我们就要去用事实证明这些结论的正确性。
我们已经知道，三大对象(实例对象、类对象、元类对象)本质上都是OC中的Class类型的结构体。要想证明我们上述的分析结果，那么就必须要彻底探究清楚Class的深层结构。在OC中，我们通过查看头文件的方式只能看到 typedefstructobjc_class*;这样的声明，继续阅读 objc_class*的相关代码。如下图所示：
但是很遗憾，在OC2.0版本中很多都是过期的，如此、这并不是我们期望的。
那么有没有其他方式呢？答案是有的。
幸好苹果给我们开源了相关源码。我们可以到苹果开源上去下载相关源码objc4-723库，从objc4-723库中找到objc-runtime-new文件进而找到 structobjc_class*的定义。如下图所示：
会发现实现的相关代码（上图中并没有展示全部的相关代码，只是截取了部分核心代码。如有兴趣可自行查阅原文）太多了，好复杂。不过这足以能够帮我们去证明一些事情了。
熟悉C++的同学应该都知道，只要是结构体的内部数据结构、格式是一致的，那么就可以进行结构体之间的类型转换（可以理解为OC中的对象类型强转，不过可能会导致被转换的结构体的某些数据的丢失）的。
基于这一点，我们不妨把官方的实现进行简化：只保留必要的我们期望的信息，如方法缓存表、协议缓存表、属性表、属性信息、协议信息、描述信息等等。如下所示：
# if __arm64__
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
# define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
# endif
#if __LP64__
typedef uint32_t mask_t;
#else
typedef uint16_t mask_t;
#endif
typedef uintptr_t cache_key_t;
struct bucket_t {
cache_key_t _key;
IMP _imp;
};
struct cache_t {
bucket_t *_buckets;
mask_t _mask;
mask_t _occupied;
};
struct entsize_list_tt {
uint32_t entsizeAndFlags;
uint32_t count;
};
struct method_t {
SEL name;
const char *types;
IMP imp;
};
struct method_list_t : entsize_list_tt {
method_t first;
};
struct ivar_t {
int32_t *offset;
const char *name;
const char *type;
uint32_t alignment_raw;
uint32_t size;
};
struct ivar_list_t : entsize_list_tt {
ivar_t first;
};
struct property_t {
const char *name;
const char *attributes;
};
struct property_list_t : entsize_list_tt {
property_t first;
};
struct chained_property_list {
chained_property_list *next;
uint32_t count;
property_t list[0];
};
typedef uintptr_t protocol_ref_t;
struct protocol_list_t {
uintptr_t count;
protocol_ref_t list[0];
};
struct class_ro_t {
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize; // instance对象占用的内存空间
#ifdef __LP64__
uint32_t reserved;
#endif
const uint8_t *ivarLayout;
const char *name; // 类名
method_list_t *baseMethodList;
protocol_list_t *baseProtocols;
const ivar_list_t *ivars; // 成员变量列表
const uint8_t *weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
};
struct class_rw_t {
uint32_t flags;
uint32_t version;
const class_ro_t *ro;
method_list_t *methods; // 方法列表
property_list_t *properties; // 属性列表
const protocol_list_t *protocols; // 协议列表
Class firstSubclass;
Class nextSiblingClass;
char *demangledName;
};
#define FAST_DATA_MASK 0x00007ffffffffff8UL
struct class_data_bits_t {
uintptr_t bits;
public:
class_rw_t *data() {
return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
}
};
/// OC对象
struct jd_objc_object {
void *isa;
};
/// 类对象
struct jd_objc_class : jd_objc_object {
Class superclass;
cache_t cache;
class_data_bits_t bits;
public:
class_rw_t *data() {
return bits.data();
}
jd_objc_class *metaClass() {
return (jd_objc_class *)((long long)isa & ISA_MASK);
}
};
这样我们就可以通过断点调试的方式进行验证了。以类对象personClassData为例进行验证。因为 structjd_objc_class*中有isa（继承而来）、superclass、cache（方法缓存相关）、bits、data等信息，通过分析可得：通过data函数的调用可以获得类对象中主要的存储的信息数据。personClassData正是通过调用 structjd_objc_class*的data()函数获取的 structclass_rw_t*类型的返回值。如下图对 structclass_rw_t*的分析所示：
从图中可知：personClass类对象中的data函数返回的personClassData( structclass_rw_t*类型)存储着很多和JDPerson相关的信息：如成员变量、协议信息、对象方法等等。这样就证明了我们前边的分析的结论了。
同理：我们可以对元类对象也用同样的方式进行分析。结果是一样的。
>>>> 三、isa/superclass指针
我们已经知道，三大对象的结构体中都有一个isa指针、一个superclass指针。那么他们之间的关系是如何的呢？
>>>> 1、isa指针
我们可以通过代码进行测试，如下图：
然而事实并不是这样的。从iOS系统支持64bit以来，实例对象的isa指针需要进行一个与运算& ISAMASK才行。也就是说用0x001dffffa8f48141 & ISAMASK 得到的值才是isa真实的指向。那么对于ISA_MASK的定义苹果是这样设计的：
# if __arm64__
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
# define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
# endif
由于我们Mac(iOS架构是arm64)的架构是 __x86_64__，因此也就是说：我们要想得到实例对象isa真正的指向我们需要进行运算：0x001dffffa8f48141 & 0x00007ffffffffff8。得到的结果是：0x001dffffa8f48140。正如上图所示的一样。因此实例对象的isa指针事实上是指向类对象的。
那么类对象的isa指针是指向哪里的呢？看下图代码所示：
jdmanClass是我们获得简化后的类对象，jdmanMetaClass是我们获得简化后的元类对象。图中代码同理：我们也验证了类对象的isa指针指向的是元类对象。
>>>> 2、superclass
我们已经验证到：实例对象的isa指向类对象，类对象的isa指向元类对象。但是他们各自的superclass又是如何指向的呢？
其实，我们可以利用类似的断点调试方式对superclass进行类似的探究。
我们同样可利用JDMan、JDPerson、NSObjet来测试。代码如下：
// JDMan类对象结构
Class manClass = [JDMan class];
struct jd_objc_class *jd_manClass = (__bridge struct jd_objc_class *)manClass;
// JDPerson类对象结构
Class personClass = [JDPerson class];
struct jd_objc_class *jd_personClass = (__bridge struct jd_objc_class *)personClass;
// NSObject类对象结构
Class objClass = [NSObject class];
struct jd_objc_class *jd_objClass = (__bridge struct jd_objc_class *)objClass;
相关的日志打印如下：
(lldb) p/x jd_manClass -> superclass
(Class) $0 = 0x0000000100001460 JDPerson
(lldb) p/x jd_personClass
(jd_objc_class *) $1 = 0x0000000100001460
(lldb) p/x jd_personClass -> superclass
(Class) $2 = 0x00007fffa8f48140 NSObject
(lldb) p/x jd_objClass
(jd_objc_class *) $3 = 0x00007fffa8f48140
(lldb)
很明显：子类类对象的superclass指向父类类对象，父类类对象的superclass指向基类（即NSObject类）
>>>> 四、OC对象相关总结
说了这么多，现以下图总结：
1、在OC对象中可分为实例对象、类对象、元类对象
2、实例对象保存成员变量信息，类对象保存属性、对象方法、协议信息、成员变量描述信息，元类对象保存的是类方法等信息
3、对于一个NSObject对象，在内存分配时操作系统给其分类了16个字节（通过mallocsize获得），但是实际使用的是8个字节（64bit环境下通过classgetInstanceSize获得）
4、三种对象本质上都是一个Class类型的结构体，Class的定义为：typedef struct objcclass *Class; 而typedef struct objcclass *Class;的具体实现可去苹果开源下载源码，可参考objc4-723库中objc-runtime-new.h文件中的相关源码实现
5、isa：子类的实例对象的isa指针指向子类的类对象，子类的类对象的isa指针指向子类的元类对象，子类的元类对象的isa指针指向基类的元类对象（即NSObject的元类对象）
6、superclass：子类的类对象的superclass指针指向父类的类对象，父类的类对象的superclass指针指向基类的类对象，基类的类对象的superclass指针指向nil（即没有父类指向nil）；元类对象的superclass同理：子类的元类对象的superclass指向父类的元类对象，父类的元类对象的superclass指向基类的元类对象，基类的元类对象的superclass指向基类的类对象
>>>> 写在最后
本文对OC中三大对象（实例对象、类对象、元类对象）之间的联系和区别以及我们开发中常见的isa、superclass等指针进行了较为详尽的论述。同时我们一步一步的也窥探了OC实例对象在内存中的分配情况。本文涉及到的内容在一些常规开发中可能并不常见，但是也许能很好的帮助我们更深入的去理解OC的一些底层的实现原理。这样我们在开发中遇到一些莫名其妙的问题时也许本文就起作用了，同时也希望通过本文的阐述，能给读者一些启发，能帮助大家提高阅读源码的主动性，促进大家勇于去探究未知事情的本质。由于笔者水平有限，如有纰漏烦请大家积极斧正。让我们共同学习，共同成长。谢谢大家的支持！
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