iOS Class结构

iOS中objc_class结构体的分析

Posted by 齐滇大圣 on May 8, 2016

objc_class结构体分析

objc_class结构体

类在OC中是objc_class的结构体指针

typedef struct objc_class *Class;

在objc/runtime.h中objc_class结构体的定义如下:

struct objc_class {

        Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;


        #if !__OBJC2__

        Class super_class                       OBJC2_UNAVAILABLE;  // 父类

        const char *name                        OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类名

        long version                            OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类的版本信息,默认为0

        long info                               OBJC2_UNAVAILABLE;  // 类信息,供运行期使用的一些位标识

        long instance_size                      OBJC2_UNAVAILABLE;  // 该类的实例变量大小

        struct objc_ivar_list *ivars            OBJC2_UNAVAILABLE;  // 该类的成员变量链表

        struct objc_method_list **methodLists   OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法定义的链表

        struct objc_cache *cache                OBJC2_UNAVAILABLE;  // 方法缓存

        struct objc_protocol_list *protocols    OBJC2_UNAVAILABLE;  // 协议链表

        #endif

} OBJC2_UNAVAILABLE; 

下面我们来看一下objc_class的定义,我们在使用runtime以class为前缀的方法时主要就是针对这个结构体中的各个字段的。

指向元类的指针(isa)

在OC中所有的类其实也是一个对象,那么这个对象也会有一个所属的类,这个类就是元类也就是结构体里面isa指针所指的类。

那什么是元类呢? 元类的定义:元类就是类对象的类。每个类都有自己的元类,因为每个类都有自己独一无二的方法。

简单点说就是:

  • 当你给对象发送消息时,消息是在寻找这个对象的类的方法列表。(实例方法)
  • 当你给类发消息时,消息是在寻找这个类的元类的方法列表。(类方法)

那元类的类是什么呢? 元类,就像之前的类一样,它也是一个对象。你也可以调用它的方法。自然的,这就意味着他必须也有一个类。

所有的元类都使用根元类(继承体系中处于顶端的类的元类)作为他们的类。这就意味着所有NSObject的子类(大多数类)的元类都会以NSObject的元类作为他们的类

根据这个规则,所有的元类使用根元类作为他们的类,根元类的元类则就是它自己。也就是说基类的元类的isa指针指向他自己。

这里有一副图可以很好的展现这些关系:

runtime方法

// 判断给定的Class是否是一个元类
BOOL class_isMetaClass ( Class cls );

class_isMetaClass函数,如果是cls是元类,则返回YES;如果否或者传入的cls为Nil,则返回NO。

指向父类的指针(super_class)

指向该类的父类,如果该类已经是最顶层的根类(如NSObject或NSProxy),则super_class为NULL。

// 获取类的父类
Class class_getSuperclass ( Class cls );

class_getSuperclass函数,当cls为Nil或者cls为根类时,返回Nil。不过通常我们可以使用NSObject类的superclass方法来达到同样的目的。

类名(name)

// 获取类的类名
const char * class_getName ( Class cls );

对于class_getName函数,如果传入的cls为Nil,则返回一个字字符串。

版本(version)

版本相关的操作包含以下函数:

// 获取版本号
int class_getVersion ( Class cls );

// 设置版本号
void class_setVersion ( Class cls, int version );

实例变量大小(instance_size)

// 获取实例大小
size_t class_getInstanceSize ( Class cls );

成员变量(ivars)及属性

在objc_class中,所有的成员变量、属性的信息是放在链表ivars中的。ivars是一个数组,数组中每个元素是指向Ivar(变量信息)的指针。runtime提供了丰富的函数来操作这一字段。大体上可以分为以下几类:

1.成员变量操作函数,主要包含以下函数:

// 获取类中指定名称实例成员变量的信息
Ivar class_getInstanceVariable ( Class cls, const char *name );

// 获取类成员变量的信息
Ivar class_getClassVariable ( Class cls, const char *name );

// 添加成员变量
BOOL class_addIvar ( Class cls, const char *name, size_t size, uint8_t alignment, const char *types );

// 获取整个成员变量列表
Ivar * class_copyIvarList ( Class cls, unsigned int *outCount );

class_getInstanceVariable函数,它返回一个指向包含name指定的成员变量信息的objc_ivar结构体的指针(Ivar)。

class_getClassVariable函数,目前没有找到关于Objective-C中类变量的信息,一般认为Objective-C不支持类变量。注意,返回的列表不包含父类的成员变量和属性。

Objective-C不支持往已存在的类中添加实例变量,因此不管是系统库提供的提供的类,还是我们自定义的类,都无法动态添加成员变量。但如果我们通过运行时来创建一个类的话,又应该如何给它添加成员变量呢?这时我们就可以使用class_addIvar函数了。不过需要注意的是,这个方法只能在objc_allocateClassPair函数与objc_registerClassPair之间调用。另外,这个类也不能是元类。成员变量的按字节最小对齐量是1«alignment。这取决于ivar的类型和机器的架构。如果变量的类型是指针类型,则传递log2(sizeof(pointer_type))。

class_copyIvarList函数,它返回一个指向成员变量信息的数组,数组中每个元素是指向该成员变量信息的objc_ivar结构体的指针。这个数组不包含在父类中声明的变量。outCount指针返回数组的大小。需要注意的是,我们必须使用free()来释放这个数组。

2.属性操作函数,主要包含以下函数:

// 获取指定的属性
objc_property_t class_getProperty ( Class cls, const char *name );

// 获取属性列表
objc_property_t * class_copyPropertyList ( Class cls, unsigned int *outCount );

// 为类添加属性
BOOL class_addProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );

// 替换类的属性
void class_replaceProperty ( Class cls, const char *name, const objc_property_attribute_t *attributes, unsigned int attributeCount );

这一种方法也是针对ivars来操作,不过只操作那些是属性的值。

方法(methodLists)

objc_method_list方法链表中存放的是该类的成员方法(-方法),类方法(+方法)存在meta-class的objc_method_list链表中。

方法操作主要有以下函数:

// 添加方法
BOOL class_addMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types );

// 获取实例方法
Method class_getInstanceMethod ( Class cls, SEL name );

// 获取类方法
Method class_getClassMethod ( Class cls, SEL name );

// 获取所有方法的数组
Method * class_copyMethodList ( Class cls, unsigned int *outCount );

// 替代方法的实现
IMP class_replaceMethod ( Class cls, SEL name, IMP imp, const char *types );

// 返回方法的具体实现
IMP class_getMethodImplementation ( Class cls, SEL name );

IMP class_getMethodImplementation_stret ( Class cls, SEL name );

// 类实例是否响应指定的selector
BOOL class_respondsToSelector ( Class cls, SEL sel );

class_addMethod的实现会覆盖父类的方法实现,但不会取代本类中已存在的实现,如果本类中包含一个同名的实现,则函数会返回NO。如果要修改已存在实现,可以使用method_setImplementation。一个Objective-C方法是一个简单的C函数,它至少包含两个参数—self和_cmd。所以,我们的实现函数(IMP参数指向的函数)至少需要两个参数,如下所示: void myMethodIMP(id self, SEL _cmd) { // implementation …. } 与成员变量不同的是,我们可以为类动态添加方法,不管这个类是否已存在。 另外,参数types是一个描述传递给方法的参数类型的字符数组,这就涉及到类型编码,我们将在后面介绍。 这里我们的void的前面没有+、-号,因为只是C的代码。

class_getInstanceMethod、class_getClassMethod函数,与class_copyMethodList不同的是,这两个函数都会去搜索父类的实现。

class_copyMethodList函数,返回包含所有实例方法的数组,如果需要获取类方法,则可以使用class_copyMethodList(object_getClass(cls), &count)(一个类的实例方法是定义在元类里面)。该列表不包含父类实现的方法。outCount参数返回方法的个数。在获取到列表后,我们需要使用free()方法来释放它。

class_replaceMethod函数,该函数的行为可以分为两种:如果类中不存在name指定的方法,则类似于class_addMethod函数一样会添加方法;如果类中已存在name指定的方法,则类似于method_setImplementation一样替代原方法的实现。

class_getMethodImplementation函数,该函数在向类实例发送消息时会被调用,并返回一个指向方法实现函数的指针。这个函数会比method_getImplementation(class_getInstanceMethod(cls, name))更快。返回的函数指针可能是一个指向runtime内部的函数,而不一定是方法的实际实现。例如,如果类实例无法响应selector,则返回的函数指针将是运行时消息转发机制的一部分。

class_respondsToSelector函数,我们通常使用NSObject类的respondsToSelector:或instancesRespondToSelector:方法来达到相同目的。

缓存(cache)

用于缓存最近使用的方法。一个接收者对象接收到一个消息时,它会根据isa指针去查找能够响应这个消息的对象。在实际使用中,这个对象只有一部分方法是常用的,很多方法其实很少用或者根本用不上。这种情况下,如果每次消息来时,我们都是methodLists中遍历一遍,性能势必很差。这时,cache就派上用场了。在我们每次调用过一个方法后,这个方法就会被缓存到cache列表中,下次调用的时候runtime就会优先去cache中查找,如果cache没有,才去methodLists中查找方法。这样,对于那些经常用到的方法的调用,提高了调用的效率。

协议(objc_protocol_list)

协议相关的操作包含以下函数:

// 添加协议
BOOL class_addProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );

// 返回类是否实现指定的协议
BOOL class_conformsToProtocol ( Class cls, Protocol *protocol );

// 返回类实现的协议列表
Protocol * class_copyProtocolList ( Class cls, unsigned int *outCount );

class_conformsToProtocol函数可以使用NSObject类的conformsToProtocol:方法来替代。

class_copyProtocolList函数返回的是一个数组,在使用后我们需要使用free()手动释放。

objc_class结构体的应用

没有实际应用的知识讲解都是耍流氓

@property的本质

这里有一个孙源的面试题是:@property 的本质是什么?ivar、getter、setter 是如何生成并添加到这个类中的。

简单点说就是:@property = ivar + getter + setter; 也就是生成实例变量及对应的存取方法。

详细的回答请看面试题第六题。

那这跟我们这里所讲的objc_class结构体有什么关系呢?

因为@property对应的ivar、getter和setter都会对应添加到我们结构体中的ivar_listmethod_list中。也就是说我们每次增加一个属性,系统都会在ivar_list添加一个成员变量的描述,在 method_list 中增加 settergetter 方法的描述。

其他Runtime结构体

objc_object结构体

除了类有对应的结构体,对象也有对应的结构体。

typedef struct objc_object *id; id就是指向对象对应的结构体。对象的结构体只有 isa 指针,指向它所属的类。而类的结构体也有 isa 指针指向它的元类。 所以在OC中objc_class 结构体是继承自 objc_object:

struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

struct objc_class : objc_object {
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    class_rw_t *data() { 
        return bits.data();
    }
};

Category结构体

Category的定义如下:

typedef struct objc_category *Category;

Category是一个objc_category结构体的指针,objc_category的定义如下:

struct objc_category {
    char *category_name                                      OBJC2_UNAVAILABLE;
    char *class_name                                         OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list *instance_methods                OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list *class_methods                   OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list *protocols                     OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

通过上面的结构体,大家可以很清楚的看出存储的内容。我们继续往下看,打开objc源代码,在 objc-runtime-new.h中我们可以发现如下定义:

struct category_t {
    const char *name;
    classref_t cls;
    struct method_list_t *instanceMethods;
    struct method_list_t *classMethods;
    struct protocol_list_t *protocols;
    struct property_list_t *instanceProperties;
};

上面的定义需要提到的地方有三点:

  • name 是指 class_name 而不是 category_name

  • cls是要扩展的类对象,编译期间是不会定义的,而是在Runtime阶段通过name对应到对应的类对象

  • instanceProperties表示Category里所有的properties,这就是我们可以通过objc_setAssociatedObject和objc_getAssociatedObject增加实例变量的原因,不过这个和一般的实例变量是不一样的

参考

Objective-C Runtime 运行时之一:类与对象