理解 isa

Posted 2020-12-31 xukuangbo

理解instance、class object、metaclass

面向对象编程中，最重要的概念就是类，下面我们就从代码入手，看看OC是如何实现类的。

instance对象实例

我们经常使用id来声明一个对象，那id的本质又是什么呢？打开#import<objc/objc.h>文件，可以发现以下几行代码

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

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

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

通过注释和代码不难发现，我们创建的一个对象或实例其实就是一个struct objc_object结构体，而我们常用的id也就是这个结构体的指针。

这个结构体只有一个成员变量，这是一个Class类型的变量isa，也是一个结构体指针，那这个指针又指向什么呢？

面向对象中每一个对象都必须依赖一个类来创建，因此对象的isa指针就指向对象所属的类根据这个类模板能够创建出实例变量、实例方法等。
比如有如下代码

NSString *str = @"Hello World";

通过上文我们知道这个str对象本质就是一个objc_object结构体，而这个结构体的成员变量isa指针则表明了str is a NSString，因此这个isa就指向了NSString类，这个NSString类其实是类对象，不明白就继续往下看。

class object（类对象）/metaclass（元类）

继续查看结构体objc_class的定义

struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

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

} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

struct objc_classs结构体里存放的数据称为元数据(metadata)，通过成员变量的名称我们可以猜测里面存放有指向父类的指针、类的名字、版本、实例大小、实例变量列表、方法列表、缓存、遵守的协议列表等，这些信息就足够创建一个实例了，该结构体的第一个成员变量也是isa指针，这就说明了Class本身其实也是一个对象，我们称之为类对象，类对象在编译期产生用于创建实例对象，是单例，因此前文中的栗子其实应该表达为str的isa指针指向了NSString类对象那么这个结构体的isa指针又指向什么呢？

类对象中的元数据存储的都是如何创建一个实例的相关信息，那么类对象和类方法应该从哪里创建呢？就是从isa指针指向的结构体创建，类对象的isa指针指向的我们称之为元类(metaclass)，元类中保存了创建类对象以及类方法所需的所有信息，因此整个结构应该如下图所示:

 

isa指针结构图

通过上图我们可以清晰的看出来一个实例对象也就是struct objc_object结构体它的isa指针指向类对象，类对象的isa指针指向了元类，super_class指针指向了父类的类对象，而元类的super_class指针指向了父类的元类，那元类的isa指针又指向了什么？为了更清晰的表达直接使用一个大神画的图。

 

实例/类对象的isa指针结构图

通过上图我们可以看出整个体系构成了一个自闭环，如果是从NSObject中继承而来的上图中的Root class就是NSObject。至此，整个实例、类对象、元类的概念也就讲清了，接下来我们在代码中看看这些概念该怎么应用。

类对象

有如下代码

@interface Person : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString* name;
@property (nonatomic, assign) NSUInteger age;

@end

@implementation Person

@synthesize name = _name;
@synthesize age = _age;

@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *p = [[Person alloc] init];
        Class c1 = [p class];
        Class c2 = [Person class];
        //输出 1
        NSLog(@"%d", c1 == c2);
    }
    return 0;
}

c1是通过一个实例对象获取的Class，实例对象可以获取到其类对象，类名作为消息的接受者时代表的是类对象，因此类对象获取Class得到的是其本身，同时也印证了类对象是一个单例的想法。
那么如果我们想获取isa指针的指向对象呢？

介绍两个函数

OBJC_EXPORT BOOL class_isMetaClass(Class cls) 
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0);

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

class_isMetaClass用于判断Class对象是否为元类，object_getClass用于获取对象的isa指针指向的对象。

再看如下代码:

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *p = [[Person alloc] init];
        //输出1
        NSLog(@"%d", [p class] == object_getClass(p));
        //输出0
        NSLog(@"%d", class_isMetaClass(object_getClass(p)));
        //输出1
        NSLog(@"%d", class_isMetaClass(object_getClass([Person class])));
        //输出0
        NSLog(@"%d", object_getClass(p) == object_getClass([Person class]));
    }
    return 0;
}

通过代码可以看出，一个实例对象通过class方法获取的Class就是它的isa指针指向的类对象，而类对象不是元类，类对象的isa指针指向的对象是元类。