Runtime内存模型探究

Objective-C是一种通用、高级、面向对象的编程语言。它扩展了标准的ANSI C编程语言，将Smalltalk式的消息传递机制加入到ANSI C中。

可以这么理解，Objective-C = C + Runtime，Runtime是将C语言具有面向对象功能的推动剂，是iOS开发中的核心概念。我们可以在苹果开源的 runtime （当前的最新版本 objc4-779.1.tar.gz ）中可以发现一些 Objective-C 对象模型的实现细节。

NSObject的实现

OC中几乎所有的类都继承自 NSObject ，OC的动态性也是通过NSObject实现的，那就从NSObject开始探索。

在 runtime 源码中的 NSObject.h 中，我们可以找到 NSObject 的定义：

@interface NSObject {

Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

}

可以看出 NSObject 里有一个指向 Class 的 isa ，其中对于Class的定义在 objc.h ：

/// An opaque type that represents an Objective-C class.

typedef struct objc_class *Class;

/// Represents an instance of a class.

struct objc_object {

Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

};

objc_class 代表类对象， objc_object 代表实例对象， objc_object 的 isa 指向 objc_class 。

这里可以得出一个结论，实例对象的isa是指向类（类对象）的。其实类（objc_class）也有一个isa属性，那它指向什么呢？

Meta Class（元类）

这里runtime为了设计上的统一性，引入了元类（meta class）的概念。

对象的实例方法调用时，通过对象的 isa 在类中获取方法的实现。类对象的类方法调用时，通过类的 isa 在元类中获取方法的实现。

objc_class 的isa指向meta class，甚至meta class也有isa指针，它指向根元类（root meta class）。实例对象，类对象，元类和根元类的关系如下图所示：

类和元类形成了一个完整的闭环，其中有两条关系需要注意：

元类的isa均指向根元类，根元类指向自己

根元类继承根类（NSObject）

ObjectiveC1.0数据模型

我们可以在 runtime.h 中查看 objc_class 的定义。

struct objc_class {

Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__

Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;

const char * _Nonnull name                              OBJC2_UNAVAILABLE;

long version                                            OBJC2_UNAVAILABLE;

long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;

long instance_size                                      OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_cache * _Nonnull cache                      OBJC2_UNAVAILABLE;

struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;

#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;

/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

注意这两个宏命令： !__OBJC2__ 和 OBJC2_UNAVAILABLE ，他们均是为了提示当前的 objc_class 结构是Objc2之前的结构设计，即Objc1.0的设计。

从这个 objc_class 的定义我们可以看出它包含了超类的指针( super_class )，类名( name )，实例大小( instance_size )， objc_ivar_list 成员变量列表的指针( ivars )，指向 objc_method_list 指针的指针 ( methodLists )。

注意 *methodLists 是指向方法列表的指针，可以动态修改 *methodLists 的值来添加成员方法，这也是Category实现的原理，同样解释了Category不能添加属性的原因。

剩下的 objc_cache 代表函数的缓存列表， objc_protocol_list 代表协议列表。

Objective语言历史

我在网上查资料的时候发现关于runtime的文章非常多，但提示数据模型在OC1.0和2.0之间区别的非常少，其实这一点很重要的。这也是为什么我将这段标题命名为Objective-C1.0数据模型的原因。

这里补一点 Objective-C 语言的发展历史（ 维基百科 ）：

Objective-C1.0 即Objective-C++ 由Stepstone 公司的布莱德·考克斯（Brad Cox）和 汤姆·洛夫（Tom Love） 在 1980 年代发明。它是GCC的一个前端，它可以编译混合C++与Objective-C语法的源文件。Objective-C++是C++的扩展，类似于Objective-C是C的扩展。

Objective-C2.0 在2006年7月苹果全球开发者会议中，Apple宣布了“Objective-C 2.0”的发布，其增加了“现代的垃圾收集，语法改进，运行时性能改进，以及64位支持”。

Objective2.0数据模型

可以在objc-runtim-new.h文件找到新版对 objc_class 的数据模型定义：

struct objc_class : objc_object {

// Class ISA;

Class superclass;

cache_t cache;            // formerly cache pointer and vtable

class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

class_rw_t *data() const {

return bits.data();

}

}

struct objc_object {

private:

isa_t isa;

}

union isa_t

{

isa_t() { }

isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

Class cls;

uintptr_t bits;

}

会发现 objc_class 不再是一个单独的结构体，而是继承于 objc_object ，objc_object内部的 isa 变成了 isa_t 的 联合体 。

class_data_bits_t

我们再回来看类中的其他属性，之前表示类的属性、方法、以及遵循的协议都放在了 class_data_bits_t 中，更准确的说是放在了 class_rw_t 。

struct class_data_bits_t {

friend objc_class;

// Values are the FAST_ flags above.

uintptr_t bits;

class_rw_t* data() const {

return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);

}

}

struct class_rw_t {

// Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.

uint32_t flags;

uint16_t version;

uint16_t witness;

const class_ro_t *ro;

method_array_t methods;

property_array_t properties;

protocol_array_t protocols;

}

struct class_ro_t {

uint32_t flags;

uint32_t instanceStart;

uint32_t instanceSize;

#ifdef __LP64__

uint32_t reserved;

#endif

const uint8_t * ivarLayout;

const char * name;

method_list_t * baseMethodList;

protocol_list_t * baseProtocols;

const ivar_list_t * ivars;

const uint8_t * weakIvarLayout;

property_list_t *baseProperties;

}

这里面引入了 class_rw_t 和 class_ro_t （rw-readwrite，ro-readonly）两个结构体。可以看到 class_rw_t 是包含一个常量指针 ro ，结构体为 class_ro_t 。这里存储了当前类在编译期就已经确定的属性、方法以及遵循的协议。在 ObjC 运行时的时候会调用 realizeClass 方法，将 class_ro_t 传入 class_rw_t ，所以新版的动态性是通过这种方式实现的。

cache_t

struct cache_t {

static bucket_t *emptyBuckets();

struct bucket_t *buckets();

mask_t mask();

mask_t occupied();

}

struct bucket_t {

// IMP-first is better for arm64e ptrauth and no worse for arm64.

// SEL-first is better for armv7* and i386 and x86_64.

#if __arm64__

explicit_atomic _imp;

explicit_atomic _sel;

#else

explicit_atomic _sel;

explicit_atomic _imp;

#endif

}

cache_t 是 objc_class 中的缓存结构体，里面通过 bucket_t 结构体存储一些最近调用的函数。设置cache最大的原因就是OC为动态语言，函数的执行是通过消息调用实现的，消息调用会首先查找当前类中的方法列表，如果找不到会查找父类，直到检索至 NSObject 依然找不到函数实现，就会进入消息转发流程。而为了节省每次查找函数表的开销，发明了 cache_t 。我们从 bucket_t 的内联函数中可以看出，缓存的SEL和IMP都是在内存中进行加载的。

method_t

struct method_t {

SEL name;

const char *types;

MethodListIMP imp;

struct SortBySELAddress :

public std::binary_function

const method_t&, bool>

{

bool operator() (const method_t& lhs,

const method_t& rhs)

{ return lhs.name < rhs.name; }

};

};

这是函数的结构体，里面包含3个成员变量。 SEL 是方法的名字name。 types 是类型编码，类型可参考 Type Encoding 。 IMP 是一个函数指针，指向的是函数的具体实现。在runtime中消息传递和转发的目的就是为了找到IMP，并执行函数。

参考链接：

深入解析 ObjC 中方法的结构

神经病院 Objective-C Runtime 入院第一天—— isa 和 Class