OC对象模型及运行时(1/3)－对象模型

Objective-C 类和对象的声明

Objective-C的Runtime是开源的，在Obj4-532.2之后，NSObject也开源了，可以在这里下载
下面的代码就是节选自最新的代码551.1.

//objc.h
typedef struct objc_class *Class;//代表类 Objective-C class
typedef struct objc_object *id;//代表对象，也就是类的实例 instance of a class.

//NSObject.h -- NSProxy.h
@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

//runtime.h
struct objc_object {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
struct objc_class {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

在objc.h里，声明了两个类型：Class和id，分别代表Objective-C（以下简称OC）类和实例对象,可以看作是泛型。在runtime.h中，我们看到OC类和对象其实就是两个结构体，其中第一个变量就是一个指向自己所属类的isa指针。

所以根据上面的声明，在OC中，一个对象的类由它的 isa 指针决定，isa 指针指向这个对象所属的Class。或者可以这么说：凡是首地址是isa指针的结构体，都可看作OC类。

当然后一句是不严谨的，根据下面的代码，我们发现，一个OC对象，还要包含ISA(),initIsa(),getIsa(),changeIsa()等5个方法。理所当然的，在NSObject.h中，NSObject也包含了一个isa指针。

Objective-C 类和对象的定义

//objc-private.h
struct objc_object {
private:
    uintptr_t isa; //isa 指针，如果不是TaggedPointer，指向 Class

public:

    // ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
    Class ISA() 
    {
        assert(!isTaggedPointer()); 
        return (Class)isa; 
    }

    // getIsa() allows this to be a tagged pointer object
    Class getIsa() 
    {
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
        if (isTaggedPointer()) {
            uintptr_t slot =
                ((uintptr_t)this >> TAG_SLOT_SHIFT) & TAG_SLOT_MASK;
            return objc_tag_classes[slot];
        }
#endif
        return ISA();
    }

    // changeIsa() should be used to change the isa of existing objects.
    // If this is a new object, use initIsa() for performance.
    Class changeIsa(Class cls);

    // initIsa() should be used to init the isa of new objects only.
    // If this object already has an isa, use changeIsa() for correctness.
    void initIsa(Class cls) 
    { 
        assert(!isTaggedPointer()); 
        isa = (uintptr_t)cls; 
    }

    bool isTaggedPointer() 
    {
#if SUPPORT_TAGGED_POINTERS
        return ((uintptr_t)this & TAG_MASK);
#else
        return false;
#endif
    }
};

//objc-runtime-new.h
struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;
    uintptr_t data_NEVER_USE; 
    /*....省略若干方法...*/
};

OC的对象定义在objc－private.h中，除了isa指针外，还包含了另外5个方法，简单说下其中两个：

getIsa()是获取isa指针的方法，如果isa不是TaggedPointer，则将isa转为Class类型返回；如果isa是TaggedPointer，则返回经过计算的指针。关于TaggedPinter的内容，可以参考唐巧的博文
changeIsa() 。。可能和isa swizzle 有关，以后再说

OC对象模型分析

OC的类的定义在objc-runtime-new.h中，比较特殊，它是继承自OC对象，所以所有的OC类都可以看作是对象—元类的对象；OC类还增加了包括superClass指针和和方法列表缓存cache_t cache等，superClass指向父类，方法cache是为了提高访问效率而设定的，用来缓存调用过的方法，这样下次再调用的时候就能提高查找效率。所以在运行时，通过isa指针就能找到真正调用的方法，其isa指针和superClass指针的指向关系如下图所示：

!image

根据上图，我们可以看到：

创建一个OC类其实是创建一个类对（ClassPair）－类和元类，类的isa指针指向元类，元类的isa指向根元类，即图中的NSObject元类，根元类的isa指向它自己，形成闭环，保证isa指针永远不会为空 —同时这也会使得一个类（Class）可以
响应NSObject的所有实例方法
isa指针指向就是消息传递的方向，如果通过isa指针没找到此消息，则继续通过superClass指针查找，如下图所示。
类中含有实例方法列表，元类中含有类方法列表；NSObject元类的superClass指向NSObject实例，所以，理论上给元类发消息，能找到NSObject的实例方法。

为什么要有元类呢？一是可以分离类方法和实例方法；二是元类总是会保证 Class 对象会有从基类继承的所有的的实例和类方法。

运行时的消息传递

!image

在运行时动态创建一个类

动态创建一个类，需要三个步骤：

1、为“class pair”－类和元类创建存储空间（使用 objc_allocateClassPair).

2、为这个类添加所需的 methods 和 ivars（使用 class_addMethod).

3、注册这个类，然后就可以使用了（使用 objc_registerClassPair).

下面的代码在运行时创建了一个 NSError 的子类同时为它添加了一个方法：

Class newClass =
    objc_allocateClassPair([NSError class], "RuntimeErrorSubclass", 0);
class_addMethod(newClass, @selector(report), (IMP)ReportFunction, "v@:");
objc_registerClassPair(newClass);

添加的方法使用叫 ReportFunction 的函数作为实现，定义如下：

void ReportFunction(id self, SEL _cmd)
{
    NSLog(@"This object is %p.", self);
    NSLog(@"Class is %@, and super is %@.", [self class], [self superclass]);
 
    Class currentClass = [self class];
    for (int i = 1; i < 5; i++)
    {
        NSLog(@"Following the isa pointer %d times gives %p", i, currentClass);
        currentClass = object_getClass(currentClass);
    }
 
    NSLog(@"NSObject's class is %p", [NSObject class]);
    NSLog(@"NSObject's meta class is %p", object_getClass([NSObject class]));
}

isa swizzling

KVO（key－value observer）就是通过isa swizzling来实现的。
当我们为一个类的某个属性添加observer时候，框架自动创建这个类的一个子类，并且修改这个类的isa指向这个新的子类。
由于在ios中函数调用都是转化为isa查表形式，所以这次查得时新的子类的表，
也就是说对类的函数调用被子类给拦截了，在拦截的实现中就可以通知observer了。

修改类的isa被称为isa-swizzling技术。isa-swizzling就是类型混合指针机制。KVO主要通过isa-swizzling，来实现其内部查找定位的。