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：1
2
3@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：1
2
3
4
5
6
7/// 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。1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17struct 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：1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22struct 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。1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42struct 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
1 | struct cache_t { |
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
1 | struct method_t { |
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。
数据模型对比
最后总结下，Objc1.0到2.0的对比：
这两张图片引用自寒神博客中的图片。
参考链接：
