iOS底层探索05——iOS类的结构分析（下）

2023-10-09 19:40:28

iOS类的结构

在iOS开发中，几乎每一个对象都是类的实例，在本系列的上一篇文章中，我们分析了部分类的结构，包括Class、MetaClass和Instance。在本篇文章中，我们将进一步深入探究这些结构，并探讨内存布局、内存管理和isa指针的运作方式。同时，我们还会介绍Swift类结构的异同，以及Object-C Runtime在类结构中的作用。

Instance结构

Instance结构是类的实例在内存中的表示形式，它包含了实例的数据成员和方法实现。Instance结构的内存布局通常分为三个部分：

实例头（Instance Header）： 这是一个固定大小的结构，包含指向Class结构的isa指针、指向MetaClass结构的superclass指针、实例的大小和一些标志位。
实例变量（Instance Variables）： 这是类的数据成员在内存中的表示形式，其大小和顺序由类定义。
方法实现（Method Implementations）： 这是类的方法实现代码在内存中的表示形式，其大小和顺序也由类定义。

Class结构

Class结构是类的元数据信息在内存中的表示形式，它包含了类的名称、父类、协议、方法签名、属性列表和一些标志位。Class结构的内存布局通常分为两个部分：

Class头（Class Header）： 这是一个固定大小的结构，包含指向MetaClass结构的isa指针、类的名称、父类、协议、方法签名和一些标志位。
Class数据（Class Data）： 这是类的数据成员和方法实现的元数据信息，其大小和顺序由类定义。

MetaClass结构

MetaClass结构是类的元类的元数据信息在内存中的表示形式，它包含了指向Class结构的isa指针、指向MetaClass结构的superclass指针、类的大小和一些标志位。MetaClass结构的内存布局通常分为两个部分：

MetaClass头（MetaClass Header）： 这是一个固定大小的结构，包含指向MetaClass结构的isa指针、类的名称、父类、协议、方法签名和一些标志位。
MetaClass数据（MetaClass Data）： 这是类的数据成员和方法实现的元数据信息，其大小和顺序由类定义。

内存布局和内存管理

Instance、Class和MetaClass结构在内存中的布局是紧密相关的。Instance结构位于内存的最低地址处，紧随其后的是Class结构，最后是MetaClass结构。这种内存布局方式可以保证isa指针指向正确的结构，并可以方便地访问类的元数据信息。

iOS的内存管理系统负责管理Instance、Class和MetaClass结构在内存中的分配和释放。当一个对象被创建时，内存管理系统会为其分配一块内存，并将其Instance结构放在内存的最低地址处。当一个对象被释放时，内存管理系统会回收其占用的内存。

isa指针

isa指针是Instance、Class和MetaClass结构中的一个重要成员变量，它指向对象的元数据信息。isa指针的类型是void *，这意味着它可以指向任何类型的结构。当一个对象被创建时，内存管理系统会将指向其Class结构的指针存储在isa指针中。当一个对象被调用方法时，运行时系统会使用isa指针找到对象的Class结构，并从中获取方法的实现。

Swift类结构

Swift类结构与Objective-C类结构有许多相似之处，但也有 bazı verschillen。Swift类结构不包含Instance结构，因为Swift对象没有实例变量。Swift类结构还包含一个泛型参数列表，该列表指定了类的泛型类型。

Object-C Runtime

Object-C Runtime是一个C语言库，它提供了许多管理对象和类的函数。Object-C Runtime用于实现isa指针的查找、方法的调用、内存的分配和释放等功能。

实际应用案例

类的结构分析

我们可以使用gdb工具来分析类的结构。例如，我们可以使用以下命令来分析Person类的结构：

(gdb) po ((Person *)p)->isa
(Person *) 0x100106c40 = {
  isa = 0x1001055f8
  class = Person
  ivar_age = 21
  ivar_name = 0x100107420 "John"
}

从输出结果中，我们可以看到Person类的Instance结构包含了一个指向Class结构的isa指针、一个指向MetaClass结构的class指针、一个ivar_age实例变量和一个ivar_name实例变量。

内存管理

我们可以使用malloc和free函数来分配和释放内存。例如，我们可以使用以下代码来分配一块100字节的内存：

void *ptr = malloc(100);

我们可以使用以下代码来释放这块内存：

free(ptr);

isa指针

我们可以使用objc_getClass函数来获取类的Class结构。例如，我们可以使用以下代码来获取Person类的Class结构：

Class personClass = objc_getClass("Person");

我们可以使用objc_getMetaClass函数来获取类的MetaClass结构。例如，我们可以使用以下代码来获取Person类的MetaClass结构：

Class personMetaClass = objc_getMetaClass("Person");

总结

在本文中，我们深入探讨了iOS类的结构，包括Instance、MetaClass和Class结构的内存布局、内存管理和isa指针的运作方式。我们还介绍了Swift类结构的异同，以及Object-C Runtime在类结构中的作用。最后，我们提供了一些实际应用案例，以便读者更好地理解和运用这些知识。希望这些内容能够帮助读者全面掌握iOS类的结构，在开发中灵活运用，提升开发效率和质量。