一. WWDC 2020 类优化

首先，我们先来看看苹果2020年WWDC视频，视频中苹果开发者主要对底层数据结构做了如下的三个修改。

在磁盘上，在你的APP二进制文件中类是这样的，如下所示：

这个类对象本身，它包含了最常被访问的信息，就是 指向元类、超类以及方法缓存的指针，除此之外，还有一个指向更多数据的指针，存储额外信息的地方叫做class_ro_t，ro代表只读，这结构中，包含类名、方法、协议和实例变量 的信息，如下图所示：

当类第一次从磁盘加载到内存中时，它们一开始也是这样的，但是一经使用，它们就会发生变化，但是在了解这些变化之前，我们有必要了解一下什么是clean memory以及dirty memory的区别:

clean memory：指加载后不会发生更改的内存。
dirty memory：指在进程运行时会发生更改的内存。

class_ro_t就属于clean memory，因为它是只读的。类结构一经使用就会变成dirty memory，因为运行时会向它写入新的数据（例如：创建一个新的方法缓存并从类中指向它）。dirty memory比clean memory要昂贵得多，只要进程在运行，它就必须一直存在，另一方面clean memory可以进行移除，从而节省更多的内存空间。因为如果你需要clean memory，系统可以从磁盘中重新加载。macOS可以选择换出dirty memory，但因为iOS不使用swap，所以dirty memory在iOS中代价很大。dirty memory是这个类数据被分成两部分的原因，可以保持清洁的数据越多越好，通过分离出那些永远不会更改的数据，可以把大部分的类数据存储为clean memory，虽然这些数据足以让我们开始，但运行时需要追踪每个类的更多信息。所有，当一个类首次被使用，运行时会为它分配额外的存储容量，这个运行时分配的存储容量是class_rw_t用于读取-编写数据，如下图所示：

在这个数据结构中，我们存储了只有在运行时才会生成的新信息（First Subclass，Next Sibing Class），例如：所有的类都会链接成一个树状结构。这是通过使用First Subclass和Next Sibing Class指针实现的。这允许运行时遍历当前使用的所有类，这对于使方法缓存非常有用。但为什么方法和属性既在class_ro_t（只读数据），又在class_rw_t（读写数据）中呢？因为 class_rw_t 可以在运行时进行更改，当 category 被加载时，它可以向类中添加新的方法，而且程序员可以使用 runtime API动态地添加它们。因为class_ro_t是只读的，所以我们需要在class_rw_t中追踪这些东西。但是以上做法导致的结果是会占用相当多的内存，在任何给定的设备中都有许多类在使用，那么我们如何缩小这些结构呢？记住，我们在class_rw_t中需要这些东西，因为这些东西可以在运行时进行更改。但是通过检查实际设备上的使用情况，我们发现大约只有%10的类真正地更改了它们的方法，而且只有Swift类会使用demangled name字段，并且Swift类并不需要这一字段，除非有东西询问它们的Objective-C名称时才需要，所有我们可以拆掉那些平时不用的部分，这将class_rw_t的大小减少了一半，如下图所示：

对于那些确实需要额外信息的类，我们可以分配这些扩展记录中的一个，并把它滑到类中供其使用，如下图所示：

大约 90% 的类从来不需要这些扩展数据，在系统范围内可节省大约14MB的内存，这些内存可以用于更有效的用途，比如存储你的App数据。这对于dirty memory来说，这是真正的节省内存，现在，很多从类中获取数据的代码，必须同时处理那些有扩展数据和没有扩展数据的类，当然，运行时会为你处理这一切，并且从外部看，一切都像往常一样工作，只是使用更少的内存，之所以会这样，是因为读取这些结构的代码，都在运行时内并且还会同时进行更新，坚持使用这些API 真的很重要，因为任何视图直接访问这些数据结构的代码都将在今年的OS版本中停止工作，如下图所示：

因为数据结构已经发生了变化，而且该代码不知道新的布局，除了你自己的代码，也要注意那些依赖的外部代码，你可能正把它们带入你的 app 中，它们可能会在你没有意识到的情况下，访问这些数据结构。这些结构中的所有信息，都可以通过官方API获取，一些API如下图所示：

当你使用这些API访问信息时，无论Apple在后台进行什么更改，这些APIS都将继续工作，所有的API都可以在Objective-C运行时说明文档中找到，而这个文档在developer.apple.com中。

总结

class_rw_t优化，其实就是对class_rw_t不常用的部分进行了剥离。如果需要用到这部分就从扩展记录中分配一个，滑到类中供其使用。现在大家对类应该有个更清楚的认识。

二. 类方法的探索方式

// YJPerson.h
@interface YJPerson : NSObject 
- (void)sayHello;
+ (void)eat;
@end

// YJPerson.m
@implementation YJPerson 
- (void)sayHello {}
+ (void)eat {}
@end

2.1 lldb 读取类方法

通过类的底层探究上我们知道对象方法也就是实例方法是存放在类中的，那么 类 相对于 元类 来说就是 类对象，由此猜想类对象的方法是不是在元类中呢？下面我们来通过实例探索：

2.1 `runtime API`读取类的方法列表

/// 输出类的方法列表
/// @param cls 类
void yj_copyMehtodList(Class cls)
{
    unsigned int count = 0;
    Method *methods = class_copyMethodList(cls, &count);
    for (unsigned int i=0; i < count; i++) {
        Method const method = methods[i];
        // 获取方法名
        NSString *key = NSStringFromSelector(method_getName(method));
        YJLog(@"Method, name: %@", key);
    }
    free(methods);
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        YJPerson *person = [YJPerson alloc];
        YJLog(@"类的方法列表：")
        // 类
        Class pCls = object_getClass(person);
        // 获取类的 方法列表
        yj_copyMehtodList(pCls);
  
        YJLog(@"\n元类的方法列表：")
        // 元类
        const char *className = class_getName(pCls);
        Class metaCls = objc_getMetaClass(className);
        // 获取元类的 方法列表
        yj_copyMehtodList(metaCls);
    }
    return 0;
}

输出：

类中的方法是 sayHello 方法，元类中的方法是 eat 方法，因此 类方法是在 元类 中的

三. 编码

3.1 官方编码说明

地址链接

3.2 通过代码获取编码信息

@encode() 获取一个给定类型的编码字符串

四. `setter`方法底层实现

在 OC对象本质与 isa 1.2.4 中发现属性setter方法有的是通过objc_setProperty实现的，有的是直接内存偏移获取变量地址，然后赋值。这是为什么呢？下面我们通过实例来探索

在 main.m 中创建 YYJPerson 代码为：

// main.m
@interface YYJPerson : NSObject
{
    NSString *yj_name;
    NSObject *yj_objc;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *c_name;
@property (nonatomic, strong) NSString *s_name;
@property (nonatomic, assign) int age;
@end
@implementation YYJPerson
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
    }
    return 0;
}

使用clang 命令：clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp生成 main.cpp 文件:

我们发现，虽然这两个属性 c_name 和 s_name 都是 NSString 类型的，但是编译后的源码，c_name 属性的 setter 方法中使用的是objc_setProperty 函数赋值，而s_name属性的setter方法中使用的确实指针偏移赋值，这是为什么呢？

首先，我们先来探究一下为什么会需要 objc_setProperty 这个函数，因为在你编写类的代码时，底层并不知道你会定义什么样的属性以及方法，但是属性的setter、getter 方法又要调用底层的接口，这就形成了一个矛盾，那该如何解决这个问题呢？由于所有属性的setter方法只有第二个参数_cmd是不一样的，因此，就出现了objc_setProperty函数，用来作为中间层，替换了属性setter方法的imp实现，这样就保证了底层代码不会因为属性的增多而增加多余的代码，如下图所示：

接着，我们还需要探究的是objc_setProperty()调用流程，但是现在就出现了一个问题，就是我们是去那里找objc_setProperty()这个函数的调用流程呢，如果你去objc的源码中查找，就会发现objc的源码中有objc_setProperty()函数的声明以及实现，但问题是，这里是我们自定义的类中的属性的setter方法里面调用的objc_setProperty()，这肯定不是objc源码调用的，而是llvm在编译的时候调用的，但是为什么要在编译时刻如此修改呢？为什么不在运行时修改呢？因为要知道，在一个项目工程中，我们自定义的类是很多的，类中的属性也是很多的，如果我们全部交给运行时处理，效率就会很低，因此放在编译时修改属性的setter方法的imp是最明智的选择。现在使用VS Code打开llvm源码，搜索objc_setProperty，我们找到了如下的代码：

全局搜索发现其实是调用了 getSetPropertyFn() 这个函数，根据这个函数的名字，可以判断这个函数是用来获取 setProperty 这个函数的，因此我们需要知道在哪里调用了 getSetPropertyFn()这个函数，然后我们全局搜索getSetPropertyFn()，发现了以下的代码：

全局搜索发现其实是 GetPropertySetFunction函数调用了GetSetPropertyFn 这个函数，接着我们全局搜索GetPropertySetFunction()，看看GetPropertySetFunction在哪里调用了，然后发现了如下代码：

GetPropertySetFunction 函数的实际上调用的是generateObjCSetterBody函数，在这个函数中对strategy.getKind()函数调用后的枚举值进行比较，当枚举值为GetSetProperty或SetPropertyAndExpressionGet并且UseOptimizedSetter(CGM)这个函数调用结果不为真的时候将会调用GetPropertySetFunction函数获取到setProperty这个函数，并在下面的函数中进行调用，因此我们需要知道strategy的getKind函数是如何实现的，其代码如下：

getKind()函数实际上是获取了类PropertyImplStrategy中的成员变量Kind的值，因此我们再来看看成员变量Kind是在何时进行赋值的，最后我们在PropertyImplStrategy的构造方法中找到了其成员变量Kind的赋值，代码如下所示：

分析上图代码，我们就可以明白，当设置属性为Copy时，就会给Kind赋值为GetSetProperty，这就是objc_setProperty()函数底层的调用流程。尽管底层是如此实现的，但是我们还是想做一个验证，编写代码如下：

// main.m 
@interface YYJPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *n_c_name;
@property (atomic, strong) NSString *a_c_name; 
@property (nonatomic) NSString *n_name; 
@property (atomic) NSString *_name; 
@end 

@implementation YYJPerson
@end

再次生成 main.cpp：

可以发现，只有使用 copy 修饰的属性才会在其setter方法中调用objc_setProperty函数。

五. 面试题

通过一个经典面试题来探究下isKindOfClass和isMemberOfClass

// iskindOfClass & isMemberOfClass 类方法调用
BOOL re1 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];
BOOL re2 = [(id)[YJPerson class] isKindOfClass:[YJPerson class]];
BOOL re3 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];
BOOL re4 = [(id)[YJPerson class] isMemberOfClass:[YJPerson class]];
NSLog(@"\n re1 :%hhd\n re2 :%hhd\n re3 :%hhd\n re4 :%hhd\n", re1, re2, re3, re4);

// iskindOfClass & isMemberOfClass 实例方法调用
BOOL re5 = [(id)[NSObject alloc] isKindOfClass:[NSObject class]];
BOOL re6 = [(id)[YJPerson alloc] isKindOfClass:[YJPerson class]];
BOOL re7 = [(id)[NSObject alloc] isMemberOfClass:[NSObject class]];
BOOL re8 = [(id)[YJPerson alloc] isMemberOfClass:[YJPerson class]];
NSLog(@"\n re5 :%hhd\n re6 :%hhd\n re7 :%hhd\n re8 :%hhd\n",re5,re6,re7,re8);

输出结果:

5.1 类方法 `isKindOfClass` 探索

我们来探索底层实现，首先在这儿打断点

开启 Always Show Disassembly

运行项目：

通过断点调试，我们发现 isKindOfClass 底层调用的是 objc_opt_isKindOfClass。既然知道了调用的哪个方法，我们直接找到它：

BOOL objc_opt_isKindOfClass(id obj, Class otherClass)
{
#if __OBJC2__
    // obj为空的是小概率事件基本不会发生
    if (slowpath(!obj)) return NO;

    // 获取 obj 的 isa
    // 如果 obj 是实例对象，则 cls 就是类
    // 如果 obj 是类，则 cls 就是元类
    Class cls = obj->getIsa();
    
    // fastpath(!cls->hasCustomCore()) （类或者父类中大概率没有默认的isKindOfClass方法
    if (fastpath(!cls->hasCustomCore())) {
        // 先用 isa 返回的 cls 去比较，相等 return yes
        // 不相等 再循环获取 cls 的 superClass 去比较
        for (Class tcls = cls; tcls; tcls = tcls->getSuperclass()) {
            if (tcls == otherClass) return YES;
        }
        return NO;
    }
#endif
// 非OBJC2版本直接走消息转发
    return ((BOOL(*)(id, SEL, Class))objc_msgSend)(obj, @selector(isKindOfClass:), otherClass);
}

现在用的基本都是 OBJC2 版本。obj->getIsa() 获取 类 或者元类：obj是对象就获取类，obj是类就获取元类 然后就接着for循环，先用 getIisa 返回的 cls 去比较，相等就 return yes；不相等循环获取 cls 的 superClass 去比较

objc_opt_class 底层实现：

Class objc_opt_class(id obj)
{
#if __OBJC2__
    // obj为空的是小概率事件基本不会发生
    if (slowpath(!obj)) return nil;
    Class cls = obj->getIsa();
    // 类或者父类中大概率没有默认的class方法
    if (fastpath(!cls->hasCustomCore())) {
        // 如果 cls 是元类就返回 obj，非元类就返回 cls
        return cls->isMetaClass() ? obj : cls;
    }
#endif
    return ((Class(*)(id, SEL))objc_msgSend)(obj, @selector(class));
}

objc_opt_class 其实就是获取 类，如果参数是 对象 则返回 类，如果是 类 就返回类

5.2 对象方法 `isKindOfClass` 探索

断点发现，对象方法 isKindOfClass 在底层也是调用的 objc_opt_isKindOfClass

这里就不重复分析了，参考 5.1

5.3 类方法 `isMemberOfClass` 探索

打断点：

运行项目：

发现这里是直接调用了 isMemberOfClass，找到这个方法实现：

+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    // 获取自己的 isa，这里是类方法，isa 返回的肯定是元类
    // 用自己的元类 和 cls 比较
    return self->ISA() == cls;
}

直接获取元类 vs cls(需要比较的类)，相同就返回YES，否则返回NO

5.4 对象方法 `isMemberOfClass` 探索

断点发现对象方法也是直接调用了 isMemberOfClass，

找到这个方法的实现：

- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return [self class] == cls;
}

类 vs cls(需要比较的类)，相同就返回YES，否则返回NO

总结：

+ isKindOfClass 流程。类的 元类 vs cls(需要比较的类)，不同继续比较。元类的父类 vs cls，不同继续比较直到找到 根元类。根元类 vs cls，不同继续比较。根类（NSObject） vs cls，如果还不相同则 根类（NSObject）的父类为 nil，跳出循环返回NO
- isKindOfClass 流程。获取当前对象所属类，类 vs cls，不同继续比较。类的父类 vs cls，不同继续比较直到找到根类（NSObject）。 根类（NSObject） vs cls，如果还不相同则根类（NSObject）的父类为nil，跳出循环返回NO
+ isMemberOfClass 流程。类的元类 vs cls(需要比较的类)，相同就返回YES，否则返回NO
- isMemberOfClass 流程。 类 vs cls(需要比较的类)，相同就返回YES，否则返回NO

OC底层原理（05）类的底层探究（下）

一. WWDC 2020 类优化

总结

二. 类方法的探索方式

2.1 lldb 读取类方法

2.1 `runtime API`读取类的方法列表

三. 编码

3.1 官方编码说明

3.2 通过代码获取编码信息

四. `setter`方法底层实现

五. 面试题

5.1 类方法 `isKindOfClass` 探索

5.2 对象方法 `isKindOfClass` 探索

5.3 类方法 `isMemberOfClass` 探索

5.4 对象方法 `isMemberOfClass` 探索

总结：

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2.1 runtime API读取类的方法列表

三. 编码

3.1 官方编码说明

3.2 通过代码获取编码信息

四. setter方法底层实现

五. 面试题

5.1 类方法 isKindOfClass 探索

5.2 对象方法 isKindOfClass 探索

5.3 类方法 isMemberOfClass 探索

5.4 对象方法 isMemberOfClass 探索

总结：

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2.1 `runtime API`读取类的方法列表

四. `setter`方法底层实现

5.1 类方法 `isKindOfClass` 探索

5.2 对象方法 `isKindOfClass` 探索

5.3 类方法 `isMemberOfClass` 探索

5.4 对象方法 `isMemberOfClass` 探索