iOS--oc对象，类，和元类本质

前言

最近在学习runtime的过程中，发现其中消息发送-动态方法解析-消息转发中涉及到了大量的类与对象的底层知识，看别人博客的时候，别人往往也会先讲一遍oc对象的本质 ；
具体参考了iOS底层原理总结 - 探寻OC对象的本质

实例对象的具体结构

在探讨oc对象的本质前，首先我们要明白oc语言他的底层实现都是c/c++代码 ；

如图：

oc中的对象，在c/c++中往往以结构体的形式存在 ；
NSobject对象如下：

struct NSObject_IMPL {Class isa;
};
// 查看Class本质
typedef struct objc_class *Class;
我们发现Class其实就是一个指针，对象底层实现其实就是这个样子。

也就是说Nsobject结构体中只存有一个isa指针，至于这个指针指向哪里，其实我们也可以大致猜到了，这个isa指针指向了类（结构体对象）；
这里注意一个点，这里的isa指针在arm64架构前是一个单纯的指针，但在arm64架构优化指针后底层是一个联合图或者说共用体（union）；这里的isa使用的共用体为了节省空间，不断的进行值覆盖的操作，结合位域可以更大限度的节约内存空间，还不用覆盖旧值 ；
其中的具体细节就不说了，只需要知道优化后的共用体不仅存放这类对象或元类对象地址，还存放了很多额外属性 ；

• 还有，指针在64位架构中占8个字节；
• 在Objective-C中，对象的地址确实可以视为指向其内部isa指针的地址，因为isa是对象内存布局的第一个元素。所以，当你说“objc存储的就是isa的地址”，这一点是对的。

自定义类对象的结构

这里用别人的一个例子：

@interface Student : NSObject{@publicint _no;int _age;
}
@end
@implementation Studentint main(int argc, const char * argv[]) {@autoreleasepool {Student *stu = [[Student alloc] init];stu -> _no = 4;stu -> _age = 5;NSLog(@"%@",stu);}return 0;
}
@end

这里中的对象的结构体可以转换为如下的形式：

struct Student_IMPL {Class *isa;int _no;int _age;
};

此结构体占用多少存储空间，对象就占用多少存储空间。因此结构体占用的存储空间为，isa指针8个字节空间+int类型_no4个字节空间+int类型_age4个字节空间共16个字节空间；
具体内存大小的分析记得要内存对齐 ；

那么一个NSObject对象占用多少内存？ NSObjcet实际上是只有一个名为isa的指针的结构体，因此占用一个指针变量所占用的内存空间大小，如果64bit占用8个字节，如果32bit占用4个字节。

继承关系

/* Person */
@interface Person : NSObject
{int _age;
}
@end@implementation Person
@end/* Student */
@interface Student : Person
{int _no;
}
@end@implementation Student
@endint main(int argc, const char * argv[]) {@autoreleasepool {NSLog(@"%zd  %zd",class_getInstanceSize([Person class]),class_getInstanceSize([Student class]));}return 0;
}

类对象实质上是以结构体的形式存储在内存中；下面是类对象结构体的图示：

注意一下，上面的类对象结构体是不完整的，应该是一种简化版本 ；

• 我们发现只要是继承自NSObject的对象，那么底层结构体内一定有一个isa指针。

那么他们所占的内存空间是多少呢？单纯的将指针和成员变量所占的内存相加即可吗？上述代码实际打印的内容是16 16，也就是说，person对象和student对象所占用的内存空间都为16个字节。
其实实际上person对象确实只使用了12个字节。但是因为内存对齐的原因。使person对象也占用16个字节。

类信息的存放

从实例对象的结构出发，我们知道了它的结构体中只有isa指针和成员变量 ；
instance对象就是通过类alloc出来的对象，每次调用alloc都会产生新的instance对象；

instance对象在内存中存储的信息包括

• isa指针
• 其他成员变量

既然instance对象结构体中不包括类的方法信息 ；那我们该如何访问类的方法信息 ？

class对象 我们通过class方法或runtime方法得到一个class对象。class对象也就是类对象

每一个类在内存中有且只有一个class对象。

class对象在内存中存储的信息主要包括

• isa指针
• superclass指针
• 类的属性信息（@property），类的成员变量信息（ivar）
• 类的对象方法信息（instance method），类的协议信息（protocol）

所以instance对象的isa指针指向class对象来访问方法信息 ；
成员变量的值时存储在实例对象中的，因为只有当我们创建实例对象的时候才为成员变赋值。但是成员变量叫什么名字，是什么类型，只需要有一份就可以了。所以存储在class对象中。

同样的class对象的isa指针指向的是它的元类对象 ；

元类对象 meta-class

在内存中存储的信息主要包括

• isa指针
• superclass指针
• 类的类方法的信息（class method）
  

meta-class对象和class对象的内存结构是一样的，所以meta-class中也有类的属性信息，类的对象方法信息等成员变量，但是其中的值可能是空的。
class的isa指向meta-class 当调用类方法时，通过class的isa找到meta-class，最后找到类方法的实现进行调用

1.当对象调用实例方法的时候，我们上面讲到，实例方法信息是存储在class类对象中的，那么要想找到实例方法，就必须找到class类对象，那么此时isa的作用就来了。

2.当类对象调用类方法的时候，同上，类方法是存储在meta-class元类对象中的。那么要找到类方法，就需要找到meta-class元类对象，而class类对象的isa指针就指向元类对象

3.当对象调用其父类对象方法的时候，又是怎么找到父类对象方法的呢？，此时就需要使用到class类对象superclass指针。
当Student的instance对象要调用Person的对象方法时，会先通过isa找到Student的class，然后通过superclass找到Person的class，最后找到对象方法的实现进行调用，同样如果Person发现自己没有响应的对象方法，又会通过Person的superclass指针找到NSObject的class对象，去寻找响应的方法

这里我猜想可能与runtime的消息流程有关，先从isa指针寻找，找不到就寻找到父类中，然后从父类的isa指针寻找 ；下面寻找父类的类方法也是一样的 ；

4.当类对象调用父类的类方法时，就需要先通过isa指针找到meta-class，然后通过superclass去寻找响应的方法

对isa、superclass总结

• instance的isa指向class
• class的isa指向meta-class
• meta-class的isa指向基类的meta-class，基类的isa指向自己
• class的superclass指向父类的class，如果没有父类，superclass指针为nil
• meta-class的superclass指向父类的meta-class，基类的meta-class的superclass指向基类的class
• instance调用对象方法的轨迹，isa找到class，方法不存在，就通过superclass找父类
• class调用类方法的轨迹，isa找meta-class，方法不存在，就通过superclass找父类