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。

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Classisa,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_objectisa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__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_tclass_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_tobjc_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&,
                                    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 EncodingIMP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。

参考链接

快手iOS面经VSCode配置Python版本