深入淺出Cocoa之類與對(duì)象
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最近打算寫一些ObjC中比較底層的東西，尤其是 runtime 相關(guān)的。蘋果已經(jīng)將 ObjC runtime 代碼開源了，我們可以從：
http://opensource.apple.com/source/objc4/objc4-493.9/runtime/ 瀏覽源代碼，或
點(diǎn)此下載源代碼。
從哪里入手呢？那當(dāng)然是最基本的類與對(duì)象。與C++相比，ObjC中的類與對(duì)象結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)潔與一致得多（參考《深度探索C++對(duì)象模型》，你就知道C++中類與對(duì)象結(jié)構(gòu)的復(fù)雜）。本文將詳細(xì)講解ObjC中類與對(duì)象的結(jié)構(gòu)，下回將講如何在 runtime 時(shí)操作類。
我們可以在/usr/include/objc/objc.h
和 runtime.h 中找到對(duì) class 與 object 的定義：
typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object {
Class isa;
} *id;
Class 是一個(gè) objc_class 結(jié)構(gòu)類型的指針；而 id（任意對(duì)象） 是一個(gè) objc_object 結(jié)構(gòu)類型的指針，其第一個(gè)成員是一個(gè) objc_class 結(jié)構(gòu)類型的指針。注意這里有一關(guān)鍵的引申解讀：
內(nèi)存布局以一個(gè) objc_class 指針為開始的所有東東都可以當(dāng)做一個(gè) object 來(lái)對(duì)待！ 那 objc_class 又是怎樣一個(gè)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體的各成員介紹如下：
isa：是一個(gè) objc_class 類型的指針，看到這里，想起我前面的引申解讀了沒(méi)？
內(nèi)存布局以一個(gè) objc_class 指針為開始的所有東東都可以當(dāng)做一個(gè) object 來(lái)對(duì)待！ 這就是說(shuō) objc_class 或者說(shuō)類其實(shí)也可以當(dāng)做一個(gè) objc_object 對(duì)象來(lái)對(duì)待！對(duì)象是對(duì)象，類也是對(duì)象，是不是有點(diǎn)混淆？別急，ObjC發(fā)明（or 重用）了一個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)區(qū)分這兩種不同的對(duì)象：類對(duì)象（class object）與實(shí)例對(duì)象（instance object）。OK，名稱混淆的問(wèn)題解決，下面我將使用這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)區(qū)分不同的對(duì)象，而使用“對(duì)象”這一術(shù)語(yǔ)來(lái)泛指所有的對(duì)象。ObjC還對(duì)類對(duì)象與實(shí)例對(duì)象中的 isa 所指向的類結(jié)構(gòu)作了不同的命名：類對(duì)象中的 isa 指向類結(jié)構(gòu)被稱作 metaclass，metaclass 存儲(chǔ)類的static類成員變量與static類成員方法（+開頭的方法）；實(shí)例對(duì)象中的 isa 指向類結(jié)構(gòu)稱作 class（普通的），class 結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)類的普通成員變量與普通成員方法（-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(jīng)是最頂層的根類（如 NSObject 或 NSProxy），那么 super_class 就為 NULL。
好，先中斷一下其他類結(jié)構(gòu)成員的介紹，讓我們厘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(duì)應(yīng)的 metaclass 的 isa 與 super_class 之間關(guān)系:
規(guī)則一：類的實(shí)例對(duì)象的 isa 指向該類；該類的 isa 指向該類的 metaclass；
規(guī)則二：類的 super_class 指向其父類，如果該類為根類則值為 NULL；
規(guī)則三：metaclass 的 isa 指向根 metaclass，如果該 metaclass 是根 metaclass 則指向自身；
規(guī)則四：metaclass 的 super_class 指向父 metaclass，如果該 metaclass 是根 metaclass 則指向該 metaclass 對(duì)應(yīng)的類；
好吧，文字總是那么乏力，有圖有真相！
<instance object，class，metaclass 的 isa 與 super_class 關(guān)系圖>
那么 class 與 metaclass 有什么區(qū)別呢？
class 是 instance object 的類類型。當(dāng)我們向?qū)嵗龑?duì)象發(fā)送消息（實(shí)例方法）時(shí)，我們?cè)谠搶?shí)例對(duì)象的 class 結(jié)構(gòu)的 methodlists 中去查找響應(yīng)的函數(shù)，如果沒(méi)找到匹配的響應(yīng)函數(shù)則在該 class 的父類中的 methodlists 去查找（查找鏈為上圖的中間那一排）。如下面的代碼中，向str 實(shí)例對(duì)象發(fā)送 lowercaseString 消息，會(huì)在 NSString 類結(jié)構(gòu)的 methodlists 中去查找 lowercaseString 的響應(yīng)函數(shù)。
NSString * str;
[str lowercaseString];
metaclass 是 class object 的類類型。當(dāng)我們向類對(duì)象發(fā)送消息（類方法）時(shí)，我們?cè)谠擃悓?duì)象的 metaclass 結(jié)構(gòu)的 methodlists 中去查找響應(yīng)的函數(shù)，如果沒(méi)有找到匹配的響應(yīng)函數(shù)則在該 metaclass 的父類中的 methodlists 去查找（查找鏈為上圖的最右邊那一排）。如下面的代碼中，向 NSString 類對(duì)象發(fā)送 stringWithString 消息，會(huì)在 NSString 的 metaclass 類結(jié)構(gòu)的 methodlists 中去查找 stringWithString 的響應(yīng)函數(shù)。
[NSString stringWithString:@"str"];
好，至此我們明白了類的結(jié)構(gòu)層次，讓我們接著看類結(jié)構(gòu)中的其他成員。
name：一個(gè) C 字符串，指示類的名稱。我們可以在運(yùn)行期，通過(guò)這個(gè)名稱查找到該類（通過(guò)：id objc_getClass(const char *aClassName)）或該類的 metaclass（id objc_getMetaClass(const char *aClassName)）；
version：類的版本信息，默認(rèn)初始化為 0。我們可以在運(yùn)行期對(duì)其進(jìn)行修改（class_setVersion）或獲取（class_getVersion）。
info：供運(yùn)行期使用的一些位標(biāo)識(shí)。有如下一些位掩碼：
CLS_CLASS (0x1L) 表示該類為普通 class ，其中包含實(shí)例方法和變量；
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(jīng)被運(yùn)行期初始化了，這個(gè)標(biāo)識(shí)位只被 objc_addClass 所設(shè)置；
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(yùn)行期所使用
CLS_FLUSH_CACHE (0x20L) 為ObjC運(yùn)行期所使用
CLS_GROW_CACHE (0x40L) 為ObjC運(yùn)行期所使用
CLS_NEED_BIND (0x80L) 為ObjC運(yùn)行期所使用
CLS_METHOD_ARRAY (0x100L) 該標(biāo)志位指示 methodlists 是指向一個(gè) objc_method_list 還是一個(gè)包含 objc_method_list 指針的數(shù)組；
instance_size：該類的實(shí)例變量大小（包括從父類繼承下來(lái)的實(shí)例變量）；
ivars：指向 objc_ivar_list 的指針，存儲(chǔ)每個(gè)實(shí)例變量的內(nèi)存地址，如果該類沒(méi)有任何實(shí)例變量則為 NULL；
methodLists：與 info 的一些標(biāo)志位有關(guān)，CLS_METHOD_ARRAY 標(biāo)識(shí)位決定其指向的東西（是指向單個(gè) objc_method_list還是一個(gè) objc_method_list 指針數(shù)組），如果 info 設(shè)置了 CLS_CLASS 則 objc_method_list 存儲(chǔ)實(shí)例方法，如果設(shè)置的是 CLS_META 則存儲(chǔ)類方法；
cache：指向 objc_cache 的指針，用來(lái)緩存最近使用的方法，以提高效率；
protocols：指向 objc_protocol_list 的指針，存儲(chǔ)該類聲明要遵守的正式協(xié)議。
總結(jié)：
ObjC 為每個(gè)類的定義生成兩個(gè) objc_class ，一個(gè)即普通的 class，另一個(gè)即 metaclass。我們可以在運(yùn)行期創(chuàng)建這兩個(gè) objc_class 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后使用 objc_addClass 動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建新的類定義。這個(gè)夠動(dòng)態(tài)夠強(qiáng)大的吧？下回講演示如何在運(yùn)行期動(dòng)態(tài)創(chuàng)建新類。