深入淺出Cocoa之類與對象——羅朝輝

轉載自：http://www.cppblog.com/kesalin/archive/2012/01/19/objc_class_object.html

最近打算寫一些ObjC中比較底層的東西，尤其是 runtime 相關的。蘋果已經將 ObjC runtime 代碼開源了，我們可以從：http://opensource.apple.com/source/objc4/objc4-493.9/runtime/ 瀏覽原始碼，或點此下載原始碼。

從哪裡入手呢？那當然是最基本的類與對象。與C++相比，ObjC中的類與對象結構要簡潔與一致得多（參考《深度探索C++物件模型》，你就知道C++中類與對象結構的複雜）。本文將詳細講解ObjC中類與對象的結構，下回將講如何在 runtime 時操作類。

我們可以在/usr/include/objc/objc.h 和 runtime.h  中找到對 class 與 object 的定義：

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

Class 是一個 objc_class 結構類型的指標；而 id（任意對象） 是一個 objc_object 結構類型的指標，其第一個成員是一個 objc_class 結構類型的指標。注意這裡有一關鍵的引申解讀：記憶體布局以一個 objc_class 指標為開始的所有東東都可以當做一個 object 來對待！ 那 objc_class 又是怎樣一個結構體呢？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 結構體的各成員介紹如下：

isa：是一個 objc_class 類型的指標，看到這裡，想起我前面的引申解讀了沒？記憶體布局以一個 objc_class 指標為開始的所有東東都可以當做一個 object 來對待！ 這就是說 objc_class 或者說類其實也可以當做一個 objc_object 對象來對待！對象是對象，類也是對象，是不是有點混淆？別急，ObjC發明（or 重用）了一個術語來區分這兩種不同的對象：類對象（class object）與執行個體對象（instance
object）。OK，名稱混淆的問題解決，下面我將使用這兩個術語來區分不同的對象，而使用“對象”這一術語來泛指所有的對象。ObjC還對類對象與執行個體對象中的 isa 所指向的類結構作了不同的命名：類對象中的 isa 指向類結構被稱作 metaclass，metaclass 儲存類的static類成員變數與static類成員方法（+開頭的方法）；執行個體對象中的 isa 指向類結構稱作 class（普通的），class 結構儲存類的普通成員變數與普通成員方法（-開頭的方法）。

super_class：一看就明白，指向該類的父類唄！如果該類已經是最頂層的根類（如 NSObject 或 NSProxy），那麼 super_class 就為 NULL。

好，先中斷一下其他類結構成員的介紹，讓我們釐清一下在繼承層次中，子類，父類，根類（這些都是普通 class）以及其對應的 metaclass 的 isa 與 super_class 之間關係:規則一：類的執行個體對象的 isa 指向該類；該類的 isa 指向該類的 metaclass；

規則二：類的 super_class 指向其父類，如果該類為根類則值為 NULL；規則三：metaclass 的 isa 指向根 metaclass，如果該 metaclass 是根 metaclass 則指向自身；

規則四：metaclass 的 super_class 指向父 metaclass，如果該 metaclass 是根 metaclass 則指向該 metaclass 對應的類；

好吧，文字總是那麼乏力，有圖有真相！

<instance object，class，metaclass 的 isa 與 super_class 關係圖>

那麼 class 與 metaclass 有什麼區別呢？

class 是 instance object 的類類型。當我們向執行個體對象發送訊息（執行個體方法）時，我們在該執行個體對象的 class 結構的 methodlists 中去尋找響應的函數，如果沒找到匹配的響應函數則在該 class 的父類中的 methodlists 去尋找（尋找鏈為的中間那一排）。如下面的代碼中，向str 執行個體對象發送 lowercaseString 訊息，會在 NSString 類結構的 methodlists 中去尋找 lowercaseString 的響應函數。

NSString * str;
[str lowercaseString];

metaclass 是 class object 的類類型。當我們向類對象發送訊息（類方法）時，我們在該類對象的 metaclass 結構的 methodlists 中去尋找響應的函數，如果沒有找到匹配的響應函數則在該 metaclass 的父類中的 methodlists 去尋找（尋找鏈為的最右邊那一排）。如下面的代碼中，向 NSString 類對象發送 stringWithString 訊息，會在 NSString 的 metaclass 類結構的 methodlists 中去尋找 stringWithString
的響應函數。

[NSString stringWithString:@"str"];

好，至此我們明白了類的結構層次，讓我們接著看類結構中的其他成員。

name：一個 C 字串，指示類的名稱。我們可以在運行期，通過這個名稱尋找到該類（通過：id objc_getClass(const char *aClassName)）或該類的 metaclass（id objc_getMetaClass(const char *aClassName)）；

version：類的版本資訊，預設初始化為 0。我們可以在運行期對其進行修改（class_setVersion）或擷取（class_getVersion）。

info：供運行期使用的一些位標識。有如下一些位元遮罩：

CLS_CLASS (0x1L) 表示該類為普通 class ，其中包含執行個體方法和變數；
CLS_META (0x2L) 表示該類為 metaclass，其中包含類方法；
CLS_INITIALIZED (0x4L) 表示該類已經被運行期初始化了，這個標識位只被 objc_addClass 所設定；
CLS_POSING (0x8L) 表示該類被 pose 成其他的類；（poseclass 在ObjC 2.0中被廢棄了）；
CLS_MAPPED (0x10L) 為ObjC運行期所使用CLS_FLUSH_CACHE (0x20L) 為ObjC運行期所使用CLS_GROW_CACHE (0x40L) 為ObjC運行期所使用CLS_NEED_BIND (0x80L) 為ObjC運行期所使用

CLS_METHOD_ARRAY (0x100L) 該標誌位指示 methodlists 是指向一個 objc_method_list 還是一個包含 objc_method_list 指標的數組；

instance_size：該類的執行個體變數大小（包括從父類繼承下來的執行個體變數）；

ivars：指向 objc_ivar_list 的指標，儲存每個執行個體變數的記憶體位址，如果該類沒有任何執行個體變數則為 NULL；

methodLists：與 info 的一些標誌位有關，CLS_METHOD_ARRAY 標識位決定其指向的東西（是指向單個 objc_method_list還是一個 objc_method_list 指標數組），如果 info 設定了 CLS_CLASS 則 objc_method_list  儲存執行個體方法，如果設定的是 CLS_META 則儲存類方法；

cache：指向 objc_cache 的指標，用來緩衝最近使用的方法，以提高效率；

protocols：指向 objc_protocol_list 的指標，儲存該類聲明要遵守的正式協議。

總結：
ObjC 為每個類的定義產生兩個 objc_class ，一個即普通的 class，另一個即 metaclass。我們可以在運行期建立這兩個 objc_class 資料結構，然後使用 objc_addClass 動態地建立新的類定義。這個夠動態夠強大的吧？下回講示範如何在運行期動態建立新類。