Objective-C runtime机制(1)——基本数据结构:objc_object & objc_class

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前言

从本篇文章开始，就进入runtime的正篇。

什么是runtime？

OC是一门动态语言，与C++这种静态语言不同，静态语言的各种数据结构在编译期已经决定了，不能够被修改。而动态语言却可以使我们在程序运行期，动态的修改一个类的结构，如修改方法实现，绑定实例变量等。

OC作为动态语言，它总会想办法将静态语言在编译期决定的事情，推迟到运行期来做。所以，仅有编译器是不够的，它需要一个运行时系统(runtime system)，这也就是OC的runtime系统的意义，它是OC运行框架的基石。

与Runtime交互

我们的OC语言是离不开runtime的。我们会在三个层次上和runtime进行交互，分别是：OC源码，通过Foundation框架定义的NSObject方法，直接调用runtime提供的接口方法。

• OC源码：大多数情况下，我们仅使用OC语言来编写代码，如NSObject，类属性，中括号的方法调用，协议，分类等。而这一切的背后，都是由runtime来支持的。我们平常所熟知的各种类型，背后都有runtime对应的C语言结构体，及C和汇编实现。
• NSObject: Cocoa中大部分类均继承于NSObject，因此大多数类都继承了NSObject所提供的方法。在NSObject中，有若干方法是运行时动态决定结果的，这背后其实是runtime系统对应数据结构的支持。如isKindOfClass和isMemberOfClass 检查类是否属于指定的Class的继承体系中；responderToSelector 检查对象是否能响应指定的消息；conformsToProtocol 检查对象是否遵循某个协议；methodForSelector返回指定方法实现的地址。
• Runtime函数：Runtime 系统是一个由一系列函数和数据结构组成，具有公共接口的动态共享库。头文件存放于/usr/include/objc目录下。许多函数允许你用纯C代码来重复实现 Objc 中同样的功能。虽然有一些方法构成了NSObject类的基础，但是你在写 Objc 代码时一般不会直接用到这些函数的，除非是写一些 Objc 与其他语言的桥接或是底层的debug工作。在Objective-C Runtime Reference 中有对 Runtime 函数的详细文档。

就如在我们在前传篇中提到的，所谓的runtime黑魔法，只是基于OC各种底层数据结构上的应用。

因此，要想了解runtime，就要先了解runtime中定义的各种数据结构。我们先从最基础的objc_object和objc_class开始。

objc_object

OC的底层实现是runtime，在runtime这一层，对象被定义为objc_object 结构体，类被定义为了objc_class 结构体。

我们先看objc_object。

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:

    // ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
    Class ISA();

    // getIsa() allows this to be a tagged pointer object
    Class getIsa();

    // 省略其余方法
    ...
}

可以看到， objc_object的定义很简单，仅包含一个isa_t 类型。

union isa_t 
{
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

    Class cls;
    uintptr_t bits;

    // 省略其余
    。。。
}

isa_t 是一个联合，可以表示多种类型，但是我们这里仅关注Class cls ，它表明了对象属于哪个类。关于isa_t 可以表示的其他类型，我们会在其他章节中描述。

objc_class

isa_t 中Class 类型其实是 typedef struct objc_class *Class 一个指针，指向objc_class 结构体。

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() { 
        return bits.data();
    }
    void setData(class_rw_t *newData) {
        bits.setData(newData);
    }
    // 省略其他方法
    。。。
}

可以看到，objc_class继承自objc_object , 即在runtime中，class也被看做一种对象。 在objc_class中，有三个数据成员：

Class superclass ：同样是Class类型，表明当前类的父类。

cache_t cache ：cache用于优化方法调用，其对应的数据结构如是：

struct cache_t {
    struct bucket_t *_buckets;
    mask_t _mask;
    mask_t _occupied;

    // 省略其余方法
    。。。   
}

typedef uintptr_t cache_key_t;

struct bucket_t {
private:
    cache_key_t _key;
    IMP _imp;

public:
    inline cache_key_t key() const { return _key; }
    inline IMP imp() const { return (IMP)_imp; }
    inline void setKey(cache_key_t newKey) { _key = newKey; }
    inline void setImp(IMP newImp) { _imp = newImp; }

    void set(cache_key_t newKey, IMP newImp);
};

cache的核心是有一个类型为bucket_t的指针，它指向了一个以_key和IMP对应的缓存节点。

runtime方法调用的流程是，当要调用一个方法时，先不去Class的方法列表中查找，而是先去找cache_t cache 。当系统调用过一个方法后，会将其实现IMP和key存放到cache中，因为理论上一个方法调用过后，被再次调用的概率很大。关于方法调用，我们将会在别的章节描述。

class_data_bits_t bits：这是Class的核心，其本质是一个可以被Mask的指针类型。根据不同的Mask，可以取出不同的值。

struct class_data_bits_t {

    // Values are the FAST_ flags above.
    uintptr_t bits;

    public:
    class_rw_t* data() {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }
    void setData(class_rw_t *newData)
    {
        assert(!data()  ||  (newData->flags & (RW_REALIZING | RW_FUTURE)));
        // Set during realization or construction only. No locking needed.
        // Use a store-release fence because there may be concurrent
        // readers of data and data's contents.
        uintptr_t newBits = (bits & ~FAST_DATA_MASK) | (uintptr_t)newData;
        atomic_thread_fence(memory_order_release);
        bits = newBits;
    }
    。。。

class_data_bits_t bits 仅含有一个成员uintptr_t bits， 可以理解为一个‘复合指针’。什么意思呢，就是bits不仅包含了指针，同时包含了Class的各种异或flag，来说明Class的属性。把这些信息复合在一起，仅用一个uint指针bits来表示。当需要取出这些信息时，需要用对应的以FAST_ 前缀开头的flag掩码对bits做按位与操作。

例如，我们需要取出Classs的核心信息class_rw_t, 则需要调用方法：

class_rw_t* data() {
        return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
    }

该方法返回一个class_rw_t*，需要对bits进行FAST_DATA_MASK 的与操作。

bits在内存中有三种位排列方式：

32位

0	1	2-31
FAST_IS_SWIFT	FAST_HAS_DEFAULT_RR	FAST_DATA_MASK

64位兼容版

0	1	2	3-46	47-63
FAST_IS_SWIFT	FAST_HAS_DEFAULT_RR	FAST_REQUIRES_RAW_ISA	FAST_DATA_MASK	空闲

64位不兼容版

0	1	2	3-46	47	48	49	50	51	52-63
FAST_IS_SWIFT	FAST_REQUIRES_RAW_ISA	FAST_HAS_CXX_DTOR	FAST_DATA_MASK	FAST_HAS_CXX_CTOR	FAST_HAS_DEFAULT_AWZ	FAST_HAS_DEFAULT_RR	FAST_ALLOC	FAST_SHIFTED_SIZE_SHIFT	空闲

不兼容版本的宏定义如下：

// class is a Swift class
#define FAST_IS_SWIFT           (1UL<<0)
// class's instances requires raw isa
#define FAST_REQUIRES_RAW_ISA   (1UL<<1)
// class or superclass has .cxx_destruct implementation
//   This bit is aligned with isa_t->hasCxxDtor to save an instruction.
#define FAST_HAS_CXX_DTOR       (1UL<<2)
// data pointer
#define FAST_DATA_MASK          0x00007ffffffffff8UL
// class or superclass has .cxx_construct implementation
#define FAST_HAS_CXX_CTOR       (1UL<<47)
// class or superclass has default alloc/allocWithZone: implementation
// Note this is is stored in the metaclass.
#define FAST_HAS_DEFAULT_AWZ    (1UL<<48)
// class or superclass has default retain/release/autorelease/retainCount/
//   _tryRetain/_isDeallocating/retainWeakReference/allowsWeakReference
#define FAST_HAS_DEFAULT_RR     (1UL<<49)
// summary bit for fast alloc path: !hasCxxCtor and 
//   !instancesRequireRawIsa and instanceSize fits into shiftedSize
#define FAST_ALLOC              (1UL<<50)
// instance size in units of 16 bytes
//   or 0 if the instance size is too big in this field
//   This field must be LAST
#define FAST_SHIFTED_SIZE_SHIFT 51

让我们再看一下Class的核心结构class_rw_t ：

struct class_rw_t {
    // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
    uint32_t flags;
    uint32_t version;

    const class_ro_t *ro;         // 类不可修改的原始核心

    // 下面三个array，method,property, protocol，可以被runtime 扩展，如Category
    method_array_t methods;
    property_array_t properties;
    protocol_array_t protocols;

    // 和继承相关的东西
    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;

    // Class对应的 符号名称
    char *demangledName;

    // 以下方法省略
    ...
}

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;

    method_list_t *baseMethods() const {
        return baseMethodList;
    }
};

可以看到，在class_ro_t 中包含了类的名称，以及method_list_t， protocol_list_t， ivar_list_t， property_list_t 这些类的基本信息。 在class_ro_t 的信息是不可修改和扩展的。

而在更外一层 class_rw_t 中，有三个数组method_array_t, property_array_t, protocol_array_t：

struct class_rw_t {

    ...
    const class_ro_t *ro;         // 类不可修改的原始核心

    // 下面三个array，method,property, protocol，可以被runtime 扩展，如Category
    method_array_t methods;
    property_array_t properties;
    protocol_array_t protocols;
    ...
}

这三个数组是可以被runtime动态扩展的。

objc_class 中包含class_data_bits_t, class_data_bits_t 中通过FAST_DATA_MASK获取指向class_rw_t类型的指针，而在class_rw_t中包含class_ro_t，类的核心const信息。

realizeClass

在objc_class的data()方法最初返回的是const class_ro_t * 类型，也就是类的基本信息。因为在调用realizeClass方法前，Category定义的各种方法，属性还没有附加到class上，因此只能够返回类的基本信息。

而当我们调用realizeClass时，会在函数内部将Category中定义的各种扩展附加到class上，同时改写data()的返回值为class_rw_t *类型，核心代码如下：

    const class_ro_t *ro;
    class_rw_t *rw;
    ro = (const class_ro_t *)cls->data();
    if (ro->flags & RO_FUTURE) {
        // This was a future class. rw data is already allocated.
        rw = cls->data();
        ro = cls->data()->ro;
        cls->changeInfo(RW_REALIZED|RW_REALIZING, RW_FUTURE);
    } else {
        // Normal class. Allocate writeable class data.
        rw = (class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1);
        rw->ro = ro;
        rw->flags = RW_REALIZED|RW_REALIZING;
        cls->setData(rw);
    }

得出结论，在class没有调用realizeClass之前，不是真正完整的类。

objc_object & objc_class

如果我们再回头看一下objc_object和objc_class 的定义，可以发现object和class是你中有我，我中有你的：

struct objc_object {
private:
    isa_t isa; // unit联合，可以表示Class类型，表明Object所属的类
    。。。
}

struct objc_class : objc_object { // objc_class继承自objc_object，表明objc_class也是一个objc_object
   Class superclass; // super class 是一个objc_class * 指针
   。。。
}

如果用UML图表示的话：

可以看到，objc_class也是一个objc_object类型，这意味着，objc_class中也有一个属性isa，而这个isa，可以表示当前类属于（注意不是继承）哪个类。而这种说明类是属于哪个类的类，我们称之为元类（meta-class）。

这里再重申一遍，元类不是类的父类。至于元类的用途，我们将会在OC的消息转发中详细讲解。现在只需要知道，每一个类都有一个与其对应的元类。

id

我们可以用id表示任意类型的类实例变量。在runtime中，id是这样定义的：

typedef struct objc_object *id;

其实是一个objc_object *，因为objc_object的isa存在，所有runtime是可以知道id类型对应的真正类型的。这个和C里面的void * 还是有区别的。