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Objective-C对象模型

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2019/03/27 Share

isa指针

Objective-C是一门面向对象的编程语言，每一个对象都是一个类的实例。在Objective-C语言的内部，每一个对象都有一个名为isa的指针，指向该对象所属的类。每一个类描述了一系列它的实例的特点，包括成员变量列表、成员函数列表等。每一个对象都可以接受消息，而对象能够接受的消息列表保存在它所对应的类中。

在Xcode中，打开NSObject的定义头文件，可以看到，NSObject就是一个包含isa指针的结构体，如下所示。

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// NSObject.h
@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
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// objc.h
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

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

按照面向对象语言的设计原则，所有事物都应该是对象（严格来说Objective-C并没有完全做到这一点，因为它有像int、double这样的简单变量类型）。在Objective-C语言中，每一个类实际上也是一个对象。每一个类也有一个名为isa的指针。每一个类也可以接收消息，例如代码[NSObject alloc]，就是向NSObject这个类发送名为alloc的消息。

在Xcode中，打开Class的定义头文件，可以看到，Class也是一个包含isa指针的结构体，如下所示。

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// runtime.h
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;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

因为类也是一个对象，所有它也必须是另一个类的实例，这个类是元类（metaclass）。元类保存了类方法的列表。当一个类方法被调用时，元类会首先查找它本身是否有该类方法的实现，如果没有，则该元类会向它的父类查找该方法，这样可以一直找到继承链的头。

元类也是一个对象，那么元类的isa指针又指向哪里呢？为了设计上的完整，所有元类的isa指针都会指向一个根元类（root metaclass）。根元类本身的isa指针指向自己，这样就形成了一个闭环。上面提到，一个对象能够接收的消息列表是保存咋它所对应的类中的。在实际编程中，我们几乎不会遇到向元类发信息的情况，那它的isa指针在实际上很少用到。不过这么设计保证了面向对象概念在Objective-C语言中完整，即语言中的所有事物都是对象，都有isa指针。

再来看看继承关系，由于类方法的定义是保存在元类中，而方法调用的规则是，如果该类没有一个方法的实现，则向它的父类继续查找。所以，为了保证父类的类方法在子类中可以被调用，所有子类的元类都会继承父类的元类，换言之，类对象和元类对象有着同样的继承关系。

下面这张图更清楚的说明了isa和继承的关系。
isa和继承的关系图

从图中可以看出：

  • NSObject的类中定义了实例方法，例如-(id)init和-(void)dealloc方法。
  • NSObject的元类中定义了类方法，例如+(id)alloc、+(void)load和+(void)initialize方法。
  • NSObject的元类继承自NSObject类，所以NSObject是所有类的根，因此NSObject中定义的实例方法可以被所有对象调用，例如-(id)init和-(void)dealloc方法。
  • NSObject的元类的isa指向自己。

类的成员变量

如果把类的实例看成一个结构体的话，上面说的isa指针就是这个结构体的第一个成员变量，而类的其他成员变量依次排列在结构体中。如下图所示。
类的实例结构图

因为对象在内存中的排布可以看成一个结构体，该结构体的大小并不能动态变化，所以无法在运行时动态地给对象添加成员变量。

相应地，对象的方法定义都保存在类的可变区域中，方法的定义列表是一个名为methodLists的指针的指针，通过修改该指针指向的指针的值，就可以动态地为某一个类增加成员方法。这也是Category实现的原理。同时也说明了为什么Category只可为对象增加成员方法，却不能增加成员变量。

因为isa本身也只是一个指针，所以除了对象的方法可以动态地修改外，我们也可以在运行时动态地修改isa指针的值，达到替换对象整个行为的目的，不过该应用场景较少。

objc_class详解

类对象是由Class类型来表示的，它是一个objc_class结构类型，如下所示。

  • objc_class结构类型

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    struct objc_class {
        // 类对象的指针指向其所属的类，即元类。元类中存储着类对象的类方法，当访问某个类的类方法时会通过该isa指针从元类中寻找方法对应的函数指针。
        Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

    #if !__OBJC2__
        // 指向该类所继承的父类对象，如果该类已经是最顶层的根类(如NSObject或NSProxy), 则为NULL。
        Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
        // 类的名称
        const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
        long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
        long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
        // 类的实例大小
        long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
        // 类成员变量列表
        struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
        // 类成员函数列表
        struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
        // 缓存调用过的方法
        struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
        // 类成员协议列表
        struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
    #endif

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

  • objc_ivar结构类型

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    struct objc_ivar {
        // 成员变量名称
        char * _Nullable ivar_name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
        // 成员变量类型
        char * _Nullable ivar_type                               OBJC2_UNAVAILABLE;
        // 成员变量偏移
        int ivar_offset                                          OBJC2_UNAVAILABLE;
    #ifdef __LP64__
        int space                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    #endif
    }                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

  • objc_method结构类型

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    struct objc_method {
        // 选择器(方法名称)，通常可以把它理解为一个字符串。
        SEL _Nonnull method_name                                 OBJC2_UNAVAILABLE;
        // 方法编码
        char * _Nullable method_types                            OBJC2_UNAVAILABLE;
        // 方法地址 函数实现体指针
        IMP _Nonnull method_imp                                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    }                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

原文作者：朱献国

原文链接：http://onzxgway.github.io/2019/03/27/runtime1/

发表日期：March 27th 2019, 8:10:50 pm

版权声明：本文采用知识共享署名-非商业性使用 4.0 国际许可协议进行许可

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