Runtime内存模型探究

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zhangferry 2022-04-22 09:57:27 ©著作权

文章标签 objective-c 数据模型类对象 文章分类 C/C++ 后端开发

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Runtime内存模型探究_数据模型

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 <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：

Runtime内存模型探究_数据模型_02

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。

classdatabits_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<uintptr_t> _imp;
explicit_atomic<SEL> _sel;
#else
explicit_atomic<SEL> _sel;
explicit_atomic<uintptr_t> _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。