深入浅出Cocoa之类与对象

winston

罗朝辉（http://www.cppblog.com/kesalin/）

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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：

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object {
    Class isa;
} *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：

struct objc_class
{
    struct objc_class* isa;
    struct objc_class* super_class;
    const char* name;
    long version;
    long info;
    long instance_size;
    struct objc_ivar_list* ivars;
    struct objc_method_list** methodLists;
    struct objc_cache* cache;
    struct objc_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;
[str lowercaseString];

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。

[NSString stringWithString:@"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。