iOS底層原理之類的底層探索(下)

本文主要內容

1.探索ivar的儲存位置
2.ro、rw、rwe解析
3.類方法的儲存位置
4.關於元類的解釋
5.通過runtime的API探索類的資料結構

一、探索ivar的儲存位置

上一篇研究了類的部分底層，瞭解到isa的走點陣圖以及類物件和元類物件的繼承關係，並且知道類的本質是一個叫作objc_class的結構體，其中包含了ISA指標、（類物件的）父類、cache、bits等,bits中儲存了類的屬性、例項方法、協議等內容，而這些內容都放在一個叫class_rw_t的結構體中。同時還留下2個疑問，第1個疑問是：成員變數並沒有在bits中屬性列表中展示。現在我們來研究類的成員變數到底儲存在什麼位置？ 通過分析並檢視objc4-838.1原始碼發現，class_rw_t結構體中有1個叫作ro的結構體，返回class_ro_t結構體型別的資料，而class_ro_t結構體中包含ivars,即代表成員變數，也就是說類的成員變數就儲存在class_ro_t結構體中。

我們來驗證類的成員變數是否真的儲存在class_ro_t結構體中。方法同上一篇中獲取bits裡面的methodlists和propertylist類似。讀取bits的返回class_data_bits_t資料內容，通過data函式讀取得到class_rw_t結構體型別資料，通過*取值，再呼叫ro函式獲取到class_ro_t結構體型別資料，其中ivars就是成員變數！呼叫ivars即可返回ovar_list_t型別資料，此時同前面屬性和方法的獲取一樣了。通過get函式獲取其中每個ivar型別元素的資料，從而找到累的成員變數(包含5個成員變數)如下圖：

知識小亮點
A:為何真正的成員變數放在類中，而成員變數的值卻放在例項物件中(前面已經知道，例項物件包含isa指標和成員變數的值)？ 
Q:類的本質是一個結構體，這個結構體相當於一個模版，這個模版中有成員變數、屬性、方法、協議等記憶體，例項物件就是根據類的模版生成的，在建立例項物件時，不同的例項物件成員變數的值是不一樣的，所以就把不一樣的成員變數的值存放在不同的例項物件中。

二.ro、rw、rwe解析

ro是在編譯時生成，當類進行編譯時，類的屬性、例項方法、協議等就會存在於ro結構體中，它是一塊純淨的、只讀(read only)的記憶體空間，不允許被修改，即clean memory。rw是在執行時生成的，類一經使用ro就會變成rw,即rw會把ro中的內容"剪下"到rw中，可讀可寫(read&write)。而runtime提供了動態為類新增方法和屬性的API，這些方法和屬性存在於只讀不允許修改的ro中，如果想要修改方法和屬性(一般修改比例為10%左右)，需要把ro中的內容"拷貝"到rw中,但這樣就會存在兩份ro，增加記憶體消耗。所以蘋果通過class_rw_ext_t(rwe)結構體來解決這10%左右的修改，這些修改主要指分類或者runtime API修改，其中分類和本類必須是非懶載入類。

分析原始碼，會判斷rw是否存在rwe,如果存在rwe,就會在其中找需要修改的內容(方法、協議等)，如果不存在rwe就會去ro中找。

三、類方法的儲存位置

2個疑問的另一個疑問是：類方法存在在哪裡？
猜測：上一篇文章中發現，類方法並不在類的bits資料中，那類方法是否會在類的元類的bits中呢？我們帶著疑問進行探索。首先通過類的isa指標指向找到元類的記憶體地址，再使用獲取bits中方法列表的方法找到元類中的方法列表即可(詳細分析過程此處省略，如有不清楚的地方，請檢視上一篇文章)，分析如下圖：

知識小亮點
ro存在磁碟中,使用時記憶體載入。只要APP執行rw就會一直存在，APP殺死才會釋放。

結論：類方法確實儲存在元類中！

四、關於元類的解釋

上一篇文章中第二部分還有一個疑問：什麼是元類？為什麼要引出元類呢？也就是說蘋果為什麼要設計這個元類呢？
這是為了**複用訊息機制**，用同一套訊息機制。在OC中呼叫方法，如[HGPerson alloc],在蘋果系統中實際上就是給HGPerson傳送某條訊息，呼叫方法編譯時就會編譯為包含2個引數的函式objc_msgSend(訊息接收者 isa，訊息方法名)，通過這個函式根據訊息接收者的isa指標找到該方法的實現，如訊息接收者是例項物件，就會到例項物件isa指標指向的類物件中找該方法的實現，如果訊息接收者是類物件，就會到類物件isa指標指向的元類物件中找該方法的實現(所以類方法和例項方法可同名)。
如果沒有元類，只用2個引數無法找到方法的實現，需要修改為：objc_msgSend(訊息接收者，訊息方法名，判斷例項物件/類物件，判斷例項方法/類方法)，而訊息的傳送最重要的是快速，如果新增上述這些判斷結構會影響傳送效率！利用當前的訊息機制只通過isa指標可以很快找到方法的實現，例項物件儲存成員變數的值，類物件儲存例項物件的方法，元類物件儲存類物件的方法，也就是單一職責的原則，大大增加訊息傳送的效率，同時維護同一個訊息機制(objc_msgSend函式)也更方便。

五、通過runtime的API探索類的資料結構

1.獲取類的成員變數
成員變數為ivar_t型別的結構體，其中包含name、type、size等內容。

通過runtime中的class_copyIvarList函式拿到成員變數列表ivars,遍歷即可獲取所有的成員變數。

注意⚠️：class_copyIvarList方法返回的ivar *型別，該方法中使用malloc 開闢了記憶體空間，而ARC進行記憶體管理只會管理OC物件，所以需要用free釋放ivars。

2.獲取類的屬性
通過runtime中的class_copyPropertyList函式拿到屬性列表properties,遍歷即可獲取類的所有屬性name、age、height。具體實現如下圖：

列印屬性型別解析：
顯示如屬性name“[email protected]'NSString',C,N,V_name”。其中"T"代表型別，後面加"@‘NSString’即為字串型別，"C"代表copy,"N"代表"nonatomic","V_name"代表成員變數_name.
再如屬性age”Ti,N,V_age**“,"Ti"整體代表int型別，"N"代表"nonatomic","V_age"代表成員變數_age.

屬性型別編碼說明官網地址：Declared property type encodings

2.獲取例項方法和類方法
(1)例項方法 通過runtime中的class_copyMethodList函式拿到方法列表methods,遍歷即可獲取例項物件的所有方法。具體實現如下圖：

列印屬性型別解析：
顯示如方法name型別“@[email protected]:8”.其中"@"代表返回值為物件型別,"16"代表方法引數的長度,第2個"@"代表方法的接收者,8個長度,從0-7;":"代表方法名,8個長度,從8-15,所以總共16個長度.
再如屬性setHeight“[email protected]:8q16”,"v"代表返回值為void型別，"24"代表方法引數的長度，第2個"@"代表方法的接收者,8個長度,從0-7;":"代表方法名,8個長度,從8-15;還有個long型別的引數height,8個長度,從16-23,所以總共24個長度.

(2)類方法
通過runtime中的class_getInstanceMethod函式傳入元類也能得到類方法的記憶體地址。為什麼？根據我們瞭解，獲取類方法可以使用class_getClassMethod函式，所以objc底層並沒有例項方法和類方法之分。

檢視原始碼發現：class_getClassMethod實際上呼叫class_getInstance Method函式。 由此進一步說明，蘋果設計元類的目的並不是存放類方法而是為了複用訊息機制！！！

3.獲取方法的實現imp
通過runtime中的class_getMethodImplementation函式獲取方法的實現。觀察發現，此函式既能通過類找到例項方法的實現，也能通過元類找到。為什麼呢？

檢視class_getMethodImplementation函式的原始碼發現，如果找不到方法的實現，會返回_objc_msgForward來進行訊息轉發。

本文總結

1.類的ro中儲存成員變數，例項方法、屬性、協議等也儲存在類物件中；
2.類方法儲存在元類中；
3.元類的設計是為了複用訊息機制，並非為了存放類方法；
4.objc底層並沒有例項方法和類方法之分。

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