OC底层原理09：isa走向&继承分析

张建 lol
  2020-09-22 21:57:52 2020-09-22 21:57 Created   2023-04-26 18:03:26 2023-04-26 18:03 Updated      

本文的主要目的是分析 isa走向 和 继承 的分析

准备工作

定义两个类 :

  • 继承自 NSObject 的 ZJPerson 类
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@interface ZJPerson : NSObject
@end
@implementation ZJPerson
@end
  • 继承自 ZJPerson 的 ZJStudent 类
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@interface ZJStudent : ZJPerson
@end
@implementation ZJStudent
@end
  • 在 main.m 中 分别创建两个对象：person & student
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int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // ISA_MASK  0x00007ffffffffff8ULL
        ZJPerson * person = [ZJPerson alloc];
        ZJStudent * student = [ZJStudent alloc];
        NSLog(@"Hello World:%@ - %@",person,student);
    }
    return 0;
}

元类

首先，我们先通过一个案例的 lldb 调试引入 元类 概念

在 main 中 NSLog(@"Hello World:%@ - %@",person,student); 处下一个 断点，运行程序，开启 lldb 调试，调试的过程如下图所示：

  • x/4gx person ：查看 person 的内存分布情况，拿到 isa 的指针地址 0x001d8001000021d1

  • p/x person ：拿到 0x0000000101159370 地址，这个地址首先代表 首地址，其次代表 当前对象，也代表 isa，

那么为什么即代表当前对象，又代表 isa 呢？

任何自定义的类，如 ZJPerson，均继承自 NSObject，NSObject 默认第一个参数为 Class isa，所以首地址会指向 isa，isa 又代表当前的类

  • p/x 0x001d8001000021d1 & 0x00007ffffffffff8ULL：获取 类ZJPerson 的指针地址 0x00000001000021d0

  • po 0x00000001000021d0：根据 类 的指针地址 0x00000001000021d0 打印 类信息，得到 类 ZJPerson

  • 查看类的 内存分布 有三种方式：

    • 通过 类 的 指针地址: x 0x00000001000021d0
    • 通过 class 的 API: x ZJPerson.class
    • 通过 runtime 的 API: x object_getClass(person)

  • x/4gx 0x00000001000021d0：查看 类ZJPerson 的 内存分布 情况，拿到 isa 指针地址 0x00000001000021a8

  • po 0x00000001000021a8：打印ZJPerson类 的 isa 指针指向的内容，即 元类，其元类也是 ZJPerson

  • p/x 0x00000001000021a8 & 0x00007ffffffffff8ULL：通过 类isa & mask 获取 元类 的 isa 指针地址 0x00000001000021a8

  • po 0x00000001000021a8：打印 元类 的指针信息，拿到 ZJPerson

根据调试过程，我们产生了一个疑问：为什么图中的 p/x 0x001d8001000021d1 & 0x00007ffffffffff8ULL 与 p/x 0x00000001000021a8 & 0x00007ffffffffff8ULL 中的类信息打印出来都是 ZJPerson？

  • 0x001d8001000021d1 是person对象的isa指针地址，其 & mask 后得到的结果是获取对象 person 的 类ZJPerson

  • 0x00000001000021a8 是 元类的isa指针地址，即 ZJPerson类的类 的isa指针地址，在Apple中，我们简称 ZJPerson类的类 为 元类

  • 所以，两个打印都是 ZJPerson 的根本原因就是因为 元类 导致的

元类的说明:

下面来解释什么是元类，主要有以下几点说明：

  • 我们知道 对象的isa 是 指向类，类 其实 也是 一个 对象，可以称为 类对象，其 isa 的位域 指向 苹果定义的 元类

  • 元类 是 系统生成 的，其定义和创建都是由编译器完成，在这个过程中，类 的归属 来自 于 元类

  • 元类 是 类对象 的 类，每个类都有一个独一无二的元类用来存储 类方法的相关信息。

  • 元类本身是没有名称的，由于与类相关联，所以使用了同类名一样的名称

isa走向

下面通过 lldb 命令来探索isa指针的走向，如下图所示:

由上图 lldb 探索可以得出一个关系链：对象 --> 类 --> 元类 --> NSobject --> 指向自己

下面用一张图表示 isa走向 流程：

由上面的分析结果我们可知：

  • 实例对象 的 isa 指针指向 类
  • 类对象 的 isa 指针指向 元 类
  • 元类 的 isa 指针指向 根元类
  • 根元类 的 isa 指针指向 自己

NSObject到底有几个？

由上图可知，最后的根元类是 NSObject，这和我们日常开发中所知道的 NSObject 是同一个吗？

有以下两种验证方式

  • 【方法一】lldb命令验证
  • 【方法二】代码验证
  1. 【方法一】lldb命令验证

从图中可以看出，由实例对象 person 最终 isa 找到的根源个 NSObject，与下面开发中使用的 NSobject 相同，所以可以得出一个结论：内存中只存在一份根元类NSObject，根元类的元类是指向它自己

  1. 【方法二】代码验证

通过三种不同的方式获取类，看他们打印的地址是否相同

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// MARK: -分析类对象在内存中存在几份
void testClassNum(){
    Class class1 = [ZJPerson class];
    Class class2 = [ZJPerson alloc].class;
    Class class3 = object_getClass([ZJPerson alloc]);
    NSLog(@"\n%p-\n%p-\n%p", class1, class2, class3);
}

以上代码的运行结果是

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2020-10-02 22:46:53.183944+0800 ZJObjc[21320:623345] 
0x100002190-
0x100002190-
0x100002190-

从打印结果中可以看出，打印的 地址 都是 同一个 ，所以 类对象 在内存中 只存在一份。

【面试题】

问：类对象在内存中存在几份？

答：由于类信息在内存中只存在一份，所以 类对象只存在一份

继承

下面我们通过两道面试题来了解一下继承关系

1、【面试题1】：

我们知道 类ZJTeacher 继承自 类ZJPerson ，那么 实例对象tearher 和 实例对象person 有关系么？

答：没有关系

分析：

  • 继承关系之来源与 类
  • 实例对象没有关系

2、【面试题2】：

ZJTearher 继承自 ZJPerson，ZJPerson 继承自 NSObject,那么 NSObject 继承自谁呢？

答：NSObject 继承自 nil

用一张图来总结一下继承关系:

ZJTeacher 和 NSObject isa 走位图

由上面 继承 和 isa走位图 分析，我们可以得出 ZJTeacher 和 NSObject 的 isa走位 图：

继承 和 isa走位图

根据上面的探索以及各种验证，我们可以得到著名的 继承 & isa走位图：

isa走位链三条：

  • teacher（实例对象） -> ZJTeacher（类） -> ZJTeacher（元类）-> NSObject（根元类）-> NSObject（根根元类）其实就是 自己

  • person（实例对象） -> ZJPerson（类） -> ZJPerson（元类）-> NSObject（根元类）-> NSObject（根根元类）其实就是 自己

  • object（实例对象） -> NSObject（类） -> NSObject（元类）-> NSObject（根元类）-> NSObject（根根元类）其实就是 自己

继承链两条：

  • ZJTeacher（子类）-> ZJPerson（父类）-> NSObject(根类) -> nil

  • ZJTeacher（子元类）-> ZJPerson（父元类）-> NSObject(根元类) -> NSObject（根类）-> nil

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  1. 准备工作
  2. 元类
  3. isa走向
  4. NSObject到底有几个？
  5. 继承
  6. ZJTeacher 和 NSObject isa 走位图
  7. 继承 和 isa走位图