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https://github.com/NohamR/knowledge-kit.git
synced 2026-05-24 20:00:37 +00:00
docs: refine
This commit is contained in:
LiuBinPeng
@@ -1,6 +1,4 @@
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# 对象在内存中的存储
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# 对象在内存中的存储底层原理
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## 一、 栈、堆、BSS、数据段、代码段是什么？
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@@ -16,9 +14,6 @@ BSS段（bss segment）：通常用来存储程序中未被初始化的全局变
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## 二、研究下对象在内存中如何存储？
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```Objective-C
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@@ -28,22 +23,23 @@ Person *p1 = [Person new]
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看这行代码，先来看几个注意点：
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new底层做的事情：
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* 在堆内存中申请1块合适大小的空间
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* 在这块内存上根据类模版创建对象。类模版中定义了什么属性就依次把这些属性声明在对象中；对象中还存在一个属性叫做**isa**，是一个指针，指向对象所属的类在代码段中地址
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* 初始化对象的属性。这里初始化有几个原则：a、如果属性的数据类型是基本数据类型则赋值为0；b、如果属性的数据类型是C语言的指针类型则赋值为NULL；c、如果属性的数据类型为OC的指针类型则赋值为nil。
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* 返回堆空间上对象的地址
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* 在堆内存中申请1块合适大小的空间
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* 在这块内存上根据类模版创建对象。类模版中定义了什么属性就依次把这些属性声明在对象中；对象中还存在一个属性叫做**isa**，是一个指针，指向对象所属的类在代码段中地址
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* 初始化对象的属性。这里初始化有几个原则：a、如果属性的数据类型是基本数据类型则赋值为0；b、如果属性的数据类型是C语言的指针类型则赋值为NULL；c、如果属性的数据类型为OC的指针类型则赋值为nil。
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* 返回堆空间上对象的地址
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注意：
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* 对象只有属性，没有方法。包括类本身的属性和一个指向代码段中的类isa指针
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* 如何访问对象的属性？指针名->属性名；本质：根据指针名找到指针指向的对象，再根据属性名查找来访问对象的属性值
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* 如何调用方法？[指针名 方法];本质：根据指针名找到指针指向的对象，再发现对象需要调用方法，再通过对象的isa指针找到代码段中的类，再调用类里面方法
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* 对象只有属性，没有方法。包括类本身的属性和一个指向代码段中的类isa指针
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* 如何访问对象的属性？指针名->属性名；本质：根据指针名找到指针指向的对象，再根据属性名查找来访问对象的属性值
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* 如何调用方法？[指针名 方法];本质：根据指针名找到指针指向的对象，再发现对象需要调用方法，再通过对象的isa指针找到代码段中的类，再调用类里面方法
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为什么不把方法存储在对象中？
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* 因为以类为模版创建的对象只有属性可能不相同，而方法相同，如果堆区的对象里面也保存方法的话就会很重复，浪费了堆空间，因此将方法存储与代码段
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* 因为以类为模版创建的对象只有属性可能不相同，而方法相同，如果堆区的对象里面也保存方法的话就会很重复，浪费了堆空间，因此将方法存储与代码段
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* 所以一个类创建的n个对象的isa指针的地址值都相同，都指向代码段中的类地址
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* 所以一个类创建的n个对象的isa指针的地址值都相同，都指向代码段中的类地址
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做个小实验
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@@ -92,3 +88,451 @@ int main(int argc, const char * argv[]) {
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**可以 看到Person类的3个对象p1、p2、p3的isa的值相同。**
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## 三、一个对象占用多少内存空间？
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```objectivec
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size_t class_getInstanceSize(Class cls)
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{
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||||
if (!cls) return 0;
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return cls->alignedInstanceSize();
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}
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// Class's ivar size rounded up to a pointer-size boundary.
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uint32_t alignedInstanceSize() {
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return word_align(unalignedInstanceSize());
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}
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```
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```objectivec
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id class_createInstance(Class cls, size_t extraBytes)
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{
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return _class_createInstanceFromZone(cls, extraBytes, nil);
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}
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||||
static __attribute__((always_inline))
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id
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||||
_class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone,
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||||
bool cxxConstruct = true,
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size_t *outAllocatedSize = nil)
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{
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if (!cls) return nil;
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assert(cls->isRealized());
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// Read class's info bits all at once for performance
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bool hasCxxCtor = cls->hasCxxCtor();
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bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
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bool fast = cls->canAllocNonpointer();
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size_t size = cls->instanceSize(extraBytes);
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if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;
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id obj;
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if (!zone && fast) {
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obj = (id)calloc(1, size);
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if (!obj) return nil;
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obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
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}
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else {
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if (zone) {
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obj = (id)malloc_zone_calloc ((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
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} else {
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||||
obj = (id)calloc(1, size);
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||||
}
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||||
if (!obj) return nil;
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||||
// Use raw pointer isa on the assumption that they might be
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// doing something weird with the zone or RR.
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||||
obj->initIsa(cls);
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}
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if (cxxConstruct && hasCxxCtor) {
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||||
obj = _objc_constructOrFree(obj, cls);
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}
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||||
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||||
return obj;
|
||||
}
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||||
size_t instanceSize(size_t extraBytes) {
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||||
size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
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||||
// CF requires all objects be at least 16 bytes.
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||||
if (size < 16) size = 16;
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return size;
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}
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```
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用2种方式获取：
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- class_getInstanceSize([NSObject class]):8。返回实例对象的成员变量所占用的内存大小，一个空对象，只有 isa 指针，所以只有8字节
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||||
- malloc_size((__bridge const void *)obj):16。Apple 规定，对象至少16个字节。但是只有一个 isa，所以只占用8个字节。
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||||
内存对齐：结构体的最终大小必须是最大成员的倍数。比如
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```c
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struct Person_IMPL {
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struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; // 8字节
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int age; // 4字节
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};
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```
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8*2=16字节
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## 四、类继承的本质
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写一个最基础的类
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```objectivec
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@interface Person:NSObject
|
||||
@end
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||||
@implementation Person
|
||||
@end
|
||||
```
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||||
clang 转为 c 代码看看, `xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main.cpp`
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```c
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struct NSObject_IMPL {
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||||
Class isa;
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||||
}
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||||
struct Person_IMPL {
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||||
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
|
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};
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||||
```
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||||
如果创建一个继承自 Person 的 Student 类呢
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```c
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struct Student_IMPL {
|
||||
struct Person_IMPL Person_IVARS;
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||||
NSInteger _age;
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||||
NSString *_name;
|
||||
};
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```
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||||
首先我们可以知道一个 OC 类的属性可以写多种数据类型，那么大概率是 C 结构体实现。用 clang 转为 c 可以得到印证。另外存在类的继承关系的时候，子类结构体中第一个信息是父类结构体对象。其次是当前子类自己的信息。根节点一定是 NSObject_IMPL 结构体，且其中只有 `Class isa`
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||||
观察 clang 转换后的 c 代码，发现 property 没有看到 setter、getter 方法。为什么这么设计？
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||||
方法不会存储到实例对象中去的。因为方法在各个对象中是通用的，方法存储在类对象的方法列表中。
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```objectivec
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||||
@interface Person:NSObject
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||||
{
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||||
int _height;
|
||||
int _age;
|
||||
int _weight;
|
||||
}
|
||||
@end
|
||||
|
||||
@implementation Person
|
||||
@end
|
||||
|
||||
struct NSObject_IMPL {
|
||||
Class isa;
|
||||
};
|
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|
||||
struct PersonIMPL {
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||||
struct NSObject_IMPL ivars;
|
||||
int _height;
|
||||
int _age;
|
||||
int _weight;
|
||||
};
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||||
struct PersonIMPL person = {};
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||||
Person *p = [[Person alloc] init];
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||||
NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([Person class])); // 24，这个数值代表我们这个类，这个结构体，创建出来至少只需要24字节.
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||||
NSLog(@"%zd", sizeof(person)); // 24，这个数值代表我们这个类，这个结构体只需要24字节就够
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||||
NSLog(@"%zd", malloc_size((__bridge const void *)p)); // 32。iOS 系统会做优化，比如为了加速访问速度，会按照16的倍数进行分配。
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```
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||||
`class_getInstanceSize`这个数值代表我们这个类，这个结构体，创建出来至少只需要24字节. `malloc_size` iOS 系统会做优化，比如为了加速访问速度，会按照16的倍数进行分配。
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||||
iOS 中，系统分配内存，都是16的倍数。pageSize？系统在分配内存的时候也存在内存对齐。
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GUN 都存在内存对齐这个概念。
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sizeof 是运算符。
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实例对象：
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类对象：isa、superclass、属性信息、对象方法信息、协议信息、成员变量信息...
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元类对象：存储 isa、superclass、类方法信息...
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一个实例对象只有一个类对象，一个实例对象只有一个元类对象。 `class_isMetaClass()`判断一个类是否为元类对象
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`objc_getClass()` 如果传递 instance 实例对象，返回 class 类对象；传递 Class 类对象，返回 meta-class 元类对象；传递 meta-class 元对象，则返回 NSObject(基类)的 meta-class 对象
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instance 的 isa 指向 Class。当调用方法时，通过 instance 的 isa 找到 Class，最后找到对象方法的实现进行调用
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class 的 isa 指向 meta-class。当调用类方法的时，通过 class 的 isa 找到 meta-class，最后找到类方法进行调用。
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当 Student 实例对象调用 Person 的对象方法时，首先根据 Student 对象的 isa 找到 Stduent 的 Class 类对象，然后根据 Stduent Class 类对象中的 superClass 找到 Person 的 Class 类对象，在类对象的对象方法列表中找到方法实现并调用。
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||||
当 Stduent 实例对象调用 init 方法时候，首先根据 Student 对象的 isa 找到 Stduent 的 Class 类对象，然后根据 Stduent Class 类对象中的 superClass 找到 Person 的 Class 类对象，找到 Person Claas 的 superClass 到 NSObject 类对象，在 NSObject 类对象的方法列表中找到 `init` 方法并调用。
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当 Stduent 对象调用类方法的时候，先根据 isa 找到 Student 的元类对象，然后在元类对象的 superclass 找到 Person 的元类对象，再根据 Person 元类对象的 superClass 找到 NSObject 的元类对象。最后找到元类对象的方法列表，调用到对象方法。
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||||
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||||
```objectivec
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||||
@interface Student : NSObject
|
||||
@end
|
||||
|
||||
@implementation Person
|
||||
@end
|
||||
|
||||
@interface NSObject(TestMessage)
|
||||
@end
|
||||
|
||||
@implementation NSObject(TestMessage)
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||||
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||||
- (void)test
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{
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||||
NSLog(@"%s", __func__);
|
||||
}
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@end
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||||
```
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||||
奇怪的是，我们给 Student 类对象调用 test 方法，`[Student test]` 则调用成功。是不是很奇怪？站在面向对象的角度出发，Student 类对象根据 isa 找到元对象，此时元对象方法列表中没有类对象，所以根据 superclass 找到 NSObject 元类对象，发现元类对象自身也没有类方法。但是为什么调用了 `-(void)test` 对象方法？
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||||
因为NSObject 元类对象的 superClass 继承自 NSObject 的类对象，类对象是存储对象方法的，所以定义在 NSObject 分类中的 `-(void)test` 最终会被调用。
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从64位开始，iOS 的 isa 需要与 ISA_MASK 进行与位运算。& ISA_MASK 才可以得到真正的类对象地址。
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为了打印和研究类对象中的 superclass、isa
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```objectivec
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// 实例对象
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Person *p = [[Person alloc] init];
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||||
Student *s = [[Student alloc] init];
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||||
// 类对象
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||||
class pclass = object_getClass(p);
|
||||
class sclass = object_getClass(s);
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||||
// Mock 系统结构体 object_class
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struct mock_object_class {
|
||||
class isa;
|
||||
class superclass;
|
||||
};
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||||
// 转换如下
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||||
struct mock_object_class *person = (__bridge mock_object_class *)[[Person alloc] init];
|
||||
struct mock_object_class *student = (__bridge mock_object_class *)[[Student alloc] init];
|
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```
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||||
如何查看类真正的结构？在 Xcode 中打印出来
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思路：查看 Class 内部的数据，发现是 struct，所以我们自己定义一个 struct，去承接类对象的元类对象信息
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```c
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#import <Foundation/Foundation.h>
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||||
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||||
#ifndef MockClassInfo_h
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#define MockClassInfo_h
|
||||
|
||||
# if __arm64__
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||||
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
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||||
# elif __x86_64__
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||||
# define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
|
||||
# endif
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||||
|
||||
#if __LP64__
|
||||
typedef uint32_t mask_t;
|
||||
#else
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||||
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 mock_objc_object {
|
||||
void *isa;
|
||||
};
|
||||
|
||||
/* 类对象 */
|
||||
struct mock_objc_class : mock_objc_object {
|
||||
Class superclass;
|
||||
cache_t cache;
|
||||
class_data_bits_t bits;
|
||||
public:
|
||||
class_rw_t* data() {
|
||||
return bits.data();
|
||||
}
|
||||
|
||||
mock_objc_class* metaClass() {
|
||||
return (mock_objc_class *)((long long)isa & ISA_MASK);
|
||||
}
|
||||
};
|
||||
|
||||
#endif /* MockClassInfo_h */
|
||||
|
||||
Student *stu = [[Student alloc] init];
|
||||
stu->_weight = 10;
|
||||
|
||||
mock_objc_class *studentClass = (__bridge mock_objc_class *)([Student class]);
|
||||
mock_objc_class *personClass = (__bridge mock_objc_class *)([Person class]);
|
||||
|
||||
class_rw_t *studentClassData = studentClass->data();
|
||||
class_rw_t *personClassData = personClass->data();
|
||||
|
||||
class_rw_t *studentMetaClassData = studentClass->metaClass()->data();
|
||||
class_rw_t *personMetaClassData = personClass->metaClass()->data();
|
||||
```
|
||||
|
||||
## 五、 内存对齐
|
||||
|
||||
Demo1
|
||||
|
||||
```objectivec
|
||||
@interface Person : NSObject
|
||||
{
|
||||
int _age;
|
||||
int _height;
|
||||
}
|
||||
@end
|
||||
|
||||
struct Person_IMPL {
|
||||
Class isa;
|
||||
int _age;
|
||||
int _height;
|
||||
};
|
||||
|
||||
Person *person = [[Person alloc] init];
|
||||
NSLog(@"%zd", malloc_size((__bridge const void *)person)); // 16
|
||||
NSLog(@"%zd", sizeof(struct Person_IMPL)); // 16
|
||||
```
|
||||
|
||||
isa 指针8字节 + int _age 4字节 + _hright 字节 = 16 字节
|
||||
|
||||
Demo2
|
||||
|
||||
```objectivec
|
||||
@interface Person : NSObject
|
||||
{
|
||||
int _age;
|
||||
int _height;
|
||||
int _no;
|
||||
}
|
||||
@end
|
||||
|
||||
struct Person_IMPL {
|
||||
Class isa;
|
||||
int _age;
|
||||
int _height;
|
||||
int _no;
|
||||
};
|
||||
|
||||
Person *person = [[Person alloc] init];
|
||||
NSLog(@"%zd", malloc_size((__bridge const void *)person)); // 32
|
||||
NSLog(@"%zd", sizeof(struct Person_IMPL)); // 24
|
||||
```
|
||||
|
||||
isa 指针8字节 + int _age 4字节 + _hright 字节 + _no 4 字节 = 20 字节，因为存在内存对齐，因为结构体本身对齐内存对齐，必须为8的倍数，所以占据24个字节的内存。
|
||||
|
||||
结构体占据24字节，为什么运行起来后通过 `malloc_size` 得到32个字节？这个涉及到运行时内存对齐。规定 **iOS 中内存对齐以 16 的倍数为准**。
|
||||
|
||||
Demo
|
||||
|
||||
```objectivec
|
||||
void *temp = malloc(4);
|
||||
NSLog(@"%zd", malloc_size(temp));
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// 16
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可以看到 malloc 申请了4个字节，但是打印却看到16个字节。
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查看源码也可以出来分配内存最小是以16的倍数为基准进行分配的。
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```c
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#define NANO_MAX_SIZE 256 /* Buckets sized {16, 32, 48, 64, 80, 96, 112, ...} */
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