面试驱动技术之 - isa && 元类 && 函数调用

面试驱动技术之 - 带着面试题来找答案

• 一个NSObject 对象，占用多少内存
• 对象方法 与 类方法的存放在哪
• 什么是isa指针
• 什么是meta-class
• megsend 是如何找到方法的

@implementation MNSubclass

- (void)compareSelfWithSuperclass{
    NSLog(@"self class = %@",[self class]);
    NSLog(@"super class = %@",[super class]);
}
@end
复制代码

• 输出的结果是什么
• 。。。

友情tips：如果上诉问题你都知道答案，或者没有兴趣知道，就可以不用继续往下看了，兴趣是最好的老师，如果没有兴趣知道这些，往下很难读得进去~

OC对象的本质

我们平时编写的Objetcive-C,底层实现都是C/C++实现的

• 问 : Objetcive-C 基于 C/C++ 实现的话，Objetcive-C 对象相当于C/C++ 中的什么数据结构呢？

@interface MNPerson : NSObject
{
    int _age;
    double _height;
    NSString *name;
}
复制代码

以 MNPerson 为例，里面的成员变量有不同类型是，比如 int 、 double 、 NSString 类型，假如在C/C++ 中用 数组 存储，显然是不太合理的

• 答: C/C++中用 结构体 的数据格式，表示oc对象。

// 转成c/c++ 代码后，MNPerson 的结构如下

struct NSObject_IMPL {
	Class isa;
};

struct MNPerson_IMPL {
	struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
	int _age;
	double _height;
	NSString *name;
};
复制代码

使用指令 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc oc源文件 -o 输出的c++文件 将 oc 代码转成 c++ 代码之后，发现内部确实是结构体

面试题来袭！前方请做好准备！！

• 一个NSObject 对象，占用多少内存

• 思路：

  • 1. 由上面可知， NSObject 的本质是结构体，通过 NSObject.m 可以发现， NSObject 只有一个 isa 成员， isa 的本质是 class , struct objc_object * 类型，所以应该占据 8 字节
  • 2. NSLog(@"%zu",class_getInstanceSize([NSObject class])); 输出 - size = 8

• 注意！实际上，

{
    //获得 - NSObject 一个实例对象的成员变量所占用的大小 >> 8
    NSLog(@"%zu",class_getInstanceSize([NSObject class]));
    
    NSObject *obj = [[NSObject alloc]init];
    // 获取 obj 指针，指向的内存大小 >> 16
    NSLog(@"%zu",malloc_size((__bridge const void *)obj));
}
复制代码

//基于 `objc-class.m` 文件 750 版本

size_t class_getInstanceSize(Class cls)
{
    if (!cls) return 0;
    return cls->alignedInstanceSize();
}

// Class‘s ivar size rounded up to a pointer-size boundary.
// 点击一下 - 智能翻译 ==> （返回类的成员变量所占据的大小）

uint32_t alignedInstanceSize() 
{
    return word_align(unalignedInstanceSize());
}
复制代码

opensource 源码

对象创建 - alloc init , 查找alloc底层实现

size_t instanceSize(size_t extraBytes) {
    size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
    // CF requires all objects be at least 16 bytes.
    if (size < 16) size = 16;
    return size;
}
复制代码

• CoreFoundation 硬性规定，一个对象，至少有 16 字节
• 以 NSObject 为例，这里传入的 size 是 alignedInstanceSize , 而 alignedInstanceSize 已经知道 = 8, 8 < 16,retun 16, 最终 NSObject 创建的对象，占据的内存大小是 16

lldb 调试下，使用 memory read 查看对象内存

(lldb) p obj
(NSObject *) $0 = 0x000060000000eb90
(lldb) memory read 0x000060000000eb90
0x60000000eb90: a8 6e 3a 0b 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
复制代码

也能发现，前8 位存储 isa 指针，后 8 位都是0，但是整个对象还是占据了 16 个字节

一个NSObject内存分配示意图

总结：

• 问 ：一个NSObject 对象，占用多少内存?
• 答 ：
  • 系统在alloc的时候，分配了16个字节给 NSObject 对象( malloc_size 函数获得)
  • 但是实际上 NSObject 只使用了 8个字节的存储空间(64bit系统下)
  • 可以通过 class_getInstanceSize()

循序渐进之面试题又来了！！

@interface MNStudent : NSObject
{
    int _age;
    int _no;
}
@end
复制代码

• 问:一个MNStudent 对象，占用多少内存
• 答:

  NSObject
  

哈哈！中计了！

原理解释：

1. 之前 NSObject 创建一个对象，确实是分配了 16 个字节的空间
2. 但是，他还有未使用的空间8个字节，还是可以存储的
3. 这里的 age && no 存进去，正好 16 ,之前分配的空间正好够用！所以答案是 16！

循循序渐进之面试题双来了！！

(大哥别打了，这次保证不挖坑了，别打，疼，别打脸别打脸。。。)

@interface MNPerson : NSObject
{
    int _age;
    int _height;
    NSString *name;
}
复制代码

• 问: 一个 MNPerson 对象，占用多少内存
• 答: 这题我真的会了！上面的坑老夫已经知道了！
  • 默认创建的时候，分配的内容是16
  • isa = 8, int age = 4, int height = 4, NSString = char * = 8
  • 最终分配: 8 + 4 + 4 + 8 = 24

哈哈哈哈！ 又中计了！

这时候你肯定好奇了

uint32_t alignedInstanceSize() {
        return word_align(unalignedInstanceSize());
    }

    
    size_t instanceSize(size_t extraBytes) {
        size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
        // CF requires all objects be at least 16 bytes.
        if (size < 16) size = 16;
        return size;
    }
    
复制代码

• extraBytes 一般都是 0，这里可以理解为 size = alignedInstanceSize() ；
• alignedInstanceSize = class_getInstanceSize , class_getInstanceSize 由上图的log信息也可以知道 = 24
• 内心os: who tm fucking 32?

ios内存分配源码

下载`libmalloc`,找到`calloc`的实现

void *
calloc(size_t num_items, size_t size)
{
	void *retval;
	retval = malloc_zone_calloc(default_zone, num_items, size);
	if (retval == NULL) {
		errno = ENOMEM;
	}
	return retval;
}

发现这个函数，就是我们调用的`calloc`函数的底层

void *
malloc_zone_calloc(malloc_zone_t *zone, size_t num_items, size_t size)
{
	MALLOC_TRACE(TRACE_calloc | DBG_FUNC_START, (uintptr_t)zone, num_items, size, 0);

	void *ptr;
	if (malloc_check_start && (malloc_check_counter++ >= malloc_check_start)) {
		internal_check();
	}

	ptr = zone->calloc(zone, num_items, size);
	
	if (malloc_logger) {
		malloc_logger(MALLOC_LOG_TYPE_ALLOCATE | MALLOC_LOG_TYPE_HAS_ZONE | MALLOC_LOG_TYPE_CLEARED, (uintptr_t)zone,
				(uintptr_t)(num_items * size), 0, (uintptr_t)ptr, 0);
	}

	MALLOC_TRACE(TRACE_calloc | DBG_FUNC_END, (uintptr_t)zone, num_items, size, (uintptr_t)ptr);
	return ptr;
}

复制代码

内心os: exo me? 这传入的 size_t size = 24 ,怎么返回32的？？

涉及到 - 内存对齐

检索 Buckets - (libmalloc 源码)

#define NANO_MAX_SIZE			256 
/* Buckets sized {16, 32, 48, ..., 256} */
复制代码

MNPerson

补充说明: sizeof 运算符

(lldb) po [obj class]
MNPerson

(lldb) po sizeof(obj)
8

(lldb) po sizeof(int)
4
复制代码

sizeof
obj
sizeof

OC对象的分类

• 实例对象(instance对象)
• 类对象(class对象)
• 元类对象(meta-class对象)

instance 对象

• 通过类 alloc 出来的对象
• 每次 alloc 都会产生新的 instance 对象(内存不相同)
• instance 对象存储的信息
  • isa 指针
  • 其他成员变量

class 对象

• 是创建对象的蓝图，描述了所创建的对象共同的属性和方法( made in 维基百科 )
• 类在内存中只有一份，每个类在内存中都有且只有一个 class 对象
• class 对象在内存中存储的信息
  • isa 指针
  • superclass 指针
  • 类的对象方法 && 协议
  • 类的属性 && 成员变量信息
  • 。。。

meta-class

Class metaClass = object_getClass([NSObject class]);

• metaclss 是 NSObject 的 meta-class 对象
• meta-class 在内存中只有一份，每个类都有且只有一个 meta-class 对象
• meta-class 也是类，与 class 的对象结构一样，但是内部的数据不一样(用途不同)
• meta-clas 包括:
  • isa指针
  • superclass
  • 类方法
  • 。。。

提问： object_getClass 与 objc_getClass 的区别

Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}
复制代码

• object_getClass ： 传入的是可以是任意对象(id类型)，返回的是类 or 元类
  • 如果传入 instance 对象，返回 class
  • 如果传入 class , 返回的是 meta-class 对象
  • 如果传入的是 meta-class ，返回的是 root-meta-class 对象

Class objc_getClass(const char *aClassName)
{
    if (!aClassName) return Nil;

    // NO unconnected, YES class handler
    return look_up_class(aClassName, NO, YES);
}
复制代码

• 传入的是类名字符串，返回的是该类名对应的类
• 不能返回元类

(图片来自于 www.sealiesoftware.com/blog/archiv… )

看懂这张图 - 就等价于看懂 isa && superclass 了

探究流程：

@interface MNSuperclass : NSObject

- (void)superclassInstanceMethod;
+ (void)superClassMethod;

@end

@implementation MNSuperclass

- (void)superclassInstanceMethod{
    NSLog(@"superclass-InstanceMethod - %p",self);
}

+ (void)superClassMethod{
    NSLog(@"+ superClass-classMethod- %p",self);
}

@end

@interface MNSubclass : MNSuperclass

- (void)subclassInstanceMethod;

@end

@implementation MNSubclass

- (void)subclassInstanceMethod{
    NSLog(@"subclassInstanceMethod- %p",self);
}

@end
复制代码

问: 子类调用父类的对象方法，执行的流程是如何的？

MNSubclass *subclass = [[MNSubclass alloc]init];
[subclass superclassInstanceMethod];
复制代码

• 思路：
  • subclass 调用对象方法，对象方法存在 class 中
  • 第一步，先找到 subclass 对象,通过 isa 指针，找到其对应的 MNSubclass 类
  • 看 MNSubclass 是否有 superclassInstanceMethod 方法的实现，发现没有， MNSubclass 沿着 superclass 指针找到他的父类 - MNSuperclass
  • 此时， MNSuperclass 中找到 superclassInstanceMethod 的实现，调用它，整个流程结束

[MNSubclass superClassMethod];

问: 子类调用父类的类方法，执行的流程是如何的？

• 思路：
  • 类方法存在 meta-class 中
  • 第一步，找到对应的 MNSubclass ,沿着 isa 指针，找到其对应的 meta-class
  • 看 MNSubclass 的 meta-class 中是否有 superClassMethod 方法的实现，发现没有，沿着 superclass 指针找到 MNSuperclass 的 meta-class
  • 发现 MNSuperclass 的 meta-class 有 superClassMethod 方法实现，调用，流程结束

图中比较难理解的一根线

探究 : 元类对象的superclass 指针是否指向 rootclass

• 分析：
  • meta-class 对象存储的是类方法， class 存储的是 对象方法
  • 从面向对象的角度来讲，一个类调用一个类方法，不应该最后调用到 对象方法
  • 这里的 Root class 就是 NSObject , 要给 NSObject 添加方法就要用到 分类
  • 验证 NSObject 的对象方法是否会被调用

//"NSObject+MNTest"类的声明 && 实现

@interface NSObject (MNTest)

+ (void)checkSuperclass;

@end

@implementation NSObject (MNTest)

+ (void)checkSuperclass{
    NSLog(@"+NSObject checkSuperclass - %p",self);
}

@end

//main函数中调用
int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool
    {
        [MNSubclass checkSuperclass];
        NSLog(@"MNSubclass = %p",[MNSubclass class]);
    }
    
    return 0;
}

--------------------------------------------------------
控制台输出：
+NSObject checkSuperclass - 0x105817040
InterView-obj-isa-class[36303:7016608] MNSubclass = 0x105817040

复制代码

1. 发现，调用 checkSuperclass 类方法的，是 MNSubclass 类
2. 这时候要验证上面那条 meta-class 指向 root-class 的线, 这里的 root-class 即等于 NSObject
3. root-class 中只存对象方法，这里，只要验证, NSObject 中同名的类方法实现取消，变成同名的对象方法测试，即可得出结论
4. 声明的还是 + (void)checkSuperclass ，实现的方法用 - (void)checkSuperclass 对象方法替换

@interface NSObject (MNTest)

+ (void)checkSuperclass;

@end

@implementation NSObject (MNTest)

//+ (void)checkSuperclass{
//    NSLog(@"+NSObject checkSuperclass - %p",self);
//}

- (void)checkSuperclass{
    NSLog(@"-NSObject checkSuperclass - %p",self);
}

@end

//main函数中调用
int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool
    {
        [MNSubclass checkSuperclass];
        NSLog(@"MNSubclass = %p",[MNSubclass class]);
    }
    
    return 0;
}

--------------------------------------------------------
控制台输出：
-NSObject checkSuperclass - 0x101239040
InterView-obj-isa-class[36391:7022301] MNSubclass = 0x101239040

复制代码

发现 - 调用的还是类方法 + (void)checkSuperclass ，但是最终实现的，却是对象方法 - (void)checkSuperclass

• 原因：
  • [MNSubclass checkSuperclass] 其实本质上，调用的是发送消息方法，函数类似是 objc_msgsend([MNSubclass class], @selector(checkSuperclass))
  • 这里的 @selector(checkSuperclass) 并未说明是 类方法 or 对象方法
  • 所以最终走流程图的话， root-meta-class 通过 isa 找到了 root-class (NSObject)，
  • NSObject 类不是元类，存储的是对象方法，所以 最终调用了 NSObject -checkSuperclass 这个对象方法

叮叮叮！循循循序渐进之面试题叒来了！！

@implementation MNSubclass

- (void)compareSelfWithSuperclass{
    NSLog(@"self class = %@",[self class]);
    NSLog(@"super class = %@",[super class]);
}
@end

调用:
    MNSubclass *subclass = [[MNSubclass alloc]init];
    [subclass subclassInstanceMethod];

复制代码

• 问: [self class] && [super class] 分别输出什么

@protocol NSObject
- (Class)class OBJC_SWIFT_UNAVAILABLE("use 'type(of: anObject)' instead");
复制代码

• 思路：
  • class 方法 是 NSObject 的一个对象方法,对方方法存在 class 中
  • 第一步，先找到 subclass 对象,通过 isa 指针，找到其对应的 MNSubclass 类
  • 看 MNSubclass 是否有 class 方法的实现，发现没有， MNSubclass 沿着 superclass 指针找到他的父类 - MNSuperclass
  • 查询 MNSuperclass 中是否有 class 方法的实现，发现没有， MNSuperclass 沿着 superclass 指针找到他的父类 - NSObject
  • 最终在 NSObject 中找到 class 的实现
  • 而调用方都是都是当前对象，所以最后输出都是 - MNSubclass

验证:

NSLog(@"self class = %@",[self class]);
NSLog(@"super class = %@",[super class]);

----------------------------------------------------------------------
控制台输出:
InterView-obj-isa-class[36796:7048007] self class = MNSubclass
InterView-obj-isa-class[36796:7048007] super class = MNSubclass
复制代码

感谢 小码哥 的精彩演出，文章中如果有说错的地方，欢迎提出，一起学习~

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