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:
1 | @interface NSObject <NSObject> { |
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 | /// An opaque type that represents an Objective-C class. |
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 | 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 | struct objc_class : objc_object { |
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 | struct class_data_bits_t { |
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。