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  • Runtime专题:深入浅出Cocoa之类与对象

    深入浅出Cocoa之类与对象
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    最近打算写一些ObjC中比较底层的东西,尤其是 runtime 相关的。从哪里入手呢?那当然是最基本的类与对象。与C++相比,ObjC中的类与对象结构要简洁与一致得多(参考《深度探索C++对象模型》,你就知道C++中类与对象结构的复杂)。本文将详细讲解ObjC中类与对象的结构,下回将讲如何在 runtime 时操作类。

    我们可以在/usr/include/objc/objc.h 中找到对 class 与 object 的定义:

    typedefstructobjc_class*Class;
    typedefstructobjc_object{
    Classisa;
    }*id;

    Class 是一个 objc_class 结构类型的指针;而 id(任意对象) 是一个 objc_object 结构类型的指针,其第一个成员是一个 objc_class 结构类型的指针。注意这里有一关键的引申解读:内存布局以一个 objc_class 指针为开始的所有东东都可以当做一个 object 来对待!那 objc_class 又是怎样一个结构体呢?且看:

    structobjc_class
    {
    structobjc_class*isa;
    structobjc_class*super_class;
    constchar*name;
    longversion;
    longinfo;
    longinstance_size;
    structobjc_ivar_list*ivars;
    structobjc_method_list**methodLists;
    structobjc_cache*cache;
    structobjc_protocol_list*protocols;
    };

    objc_class 结构体的各成员介绍如下:

    isa:是一个 objc_class 类型的指针,看到这里,想起我前面的引申解读了没?内存布局以一个 objc_class 指针为开始的所有东东都可以当做一个 object 来对待!这就是说 objc_class 或者说类其实也可以当做一个 objc_object 对象来对待!对象是对象,类也是对象,是不是有点混淆?别急,ObjC发明(or 重用)了一个术语来区分这两种不同的对象:类对象(class object)与实例对象(instance object)。OK,名称混淆的问题解决,下面我将使用这两个术语来区分不同的对象,而使用“对象”这一术语来泛指所有的对象。ObjC还对类对象与实例对象中的 isa 所指向的类结构作了不同的命名:类对象中的 isa 指向类结构被称作 metaclass,metaclass 存储类的static类成员变量与static类成员方法(+开头的方法);实例对象中的 isa 指向类结构称作 class(普通的),class 结构存储类的普通成员变量与普通成员方法(-开头的方法)。

    super_class:一看就明白,指向该类的父类呗!如果该类已经是最顶层的根类(如 NSObject 或 NSProxy),那么 super_class 就为 NULL。

    好,先中断一下其他类结构成员的介绍,让我们厘清一下在继承层次中,子类,父类,根类(这些都是普通 class)以及其对应的 metaclass 的 isa 与 super_class 之间关系:
    规则一:类的实例对象的 isa 指向该类;该类的 isa 指向该类的 metaclass;
    规则二:类的 super_class 指向其父类,如果该类为根类则值为 NULL;
    规则三:metaclass 的 isa 指向根 metaclass,如果该 metaclass 是根 metaclass 则指向自身;
    规则四:metaclass 的super_class指向父 metaclass,如果该 metaclass 是根 metaclass 则指向该metaclass 对应的类;

    好吧,文字总是那么乏力,有图有真相!

    <instance object,class,metaclass 的 isa 与 super_class 关系图>

    那么 class 与 metaclass 有什么区别呢?

    class 是 instance object 的类类型。当我们向实例对象发送消息(实例方法)时,我们在该实例对象的 class 结构的 methodlists 中去查找响应的函数,如果没找到匹配的响应函数则在该 class 的父类中的 methodlists 去查找(查找链为上图的中间那一排)。如下面的代码中,向str 实例对象发送 lowercaseString 消息,会在 NSString 类结构的 methodlists 中去查找 lowercaseString 的响应函数。

    NSString*str;
    [strlowercaseString];

    metaclass 是 class object 的类类型。当我们向类对象发送消息(类方法)时,我们在该类对象的 metaclass 结构的 methodlists 中去查找响应的函数,如果没有找到匹配的响应函数则在该 metaclass 的父类中的 methodlists 去查找(查找链为上图的最右边那一排)。如下面的代码中,向 NSString 类对象发送 stringWithString 消息,会在 NSString 的 metaclass 类结构的 methodlists 中去查找 stringWithString 的响应函数。

    [NSStringstringWithString:@"str"];

    好,至此我们明白了类的结构层次,让我们接着看类结构中的其他成员。

    name:一个 C 字符串,指示类的名称。我们可以在运行期,通过这个名称查找到该类(通过:id objc_getClass(const char *aClassName))或该类的 metaclass(id objc_getMetaClass(const char *aClassName));

    version:类的版本信息,默认初始化为 0。我们可以在运行期对其进行修改(class_setVersion)或获取(class_getVersion)。

    info:供运行期使用的一些位标识。有如下一些位掩码:
    CLS_CLASS (0x1L) 表示该类为普通 class ,其中包含实例方法和变量;
    CLS_META (0x2L) 表示该类为 metaclass,其中包含类方法;
    CLS_INITIALIZED (0x4L) 表示该类已经被运行期初始化了,这个标识位只被 objc_addClass 所设置;
    CLS_POSING (0x8L) 表示该类被 pose 成其他的类;(poseclass 在ObjC 2.0中被废弃了);
    CLS_MAPPED(0x10L) 为ObjC运行期所使用
    CLS_FLUSH_CACHE (0x20L) 为ObjC运行期所使用
    CLS_GROW_CACHE (0x40L) 为ObjC运行期所使用
    CLS_NEED_BIND (0x80L) 为ObjC运行期所使用
    CLS_METHOD_ARRAY (0x100L) 该标志位指示 methodlists 是指向一个 objc_method_list 还是一个包含 objc_method_list 指针的数组;

    instance_size:该类的实例变量大小(包括从父类继承下来的实例变量);


    ivars:指向 objc_ivar_list 的指针,存储每个实例变量的内存地址,如果该类没有任何实例变量则为 NULL;

    methodLists:与 info 的一些标志位有关,CLS_METHOD_ARRAY 标识位决定其指向的东西(是指向单个 objc_method_list还是一个 objc_method_list 指针数组),如果 info 设置了 CLS_CLASS 则 objc_method_list 存储实例方法,如果设置的是 CLS_META 则存储类方法;

    cache:指向 objc_cache 的指针,用来缓存最近使用的方法,以提高效率;

    protocols:指向 objc_protocol_list 的指针,存储该类声明要遵守的正式协议。

    总结
    ObjC 为每个类的定义生成两个 objc_class ,一个即普通的 class,另一个即 metaclass。我们可以在运行期创建这两个 objc_class 数据结构,然后使用 objc_addClass 动态地创建新的类定义。这个够动态够强大的吧?下回讲演示如何在运行期动态创建新类。
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