用clang编译Objective-C对象，理解运行时机制

我们知道Objective-C的类可以通过clang编译器转换为C++的结构体，也就是说，Objective-C对象的本质就是结构体，下面通过实践来证明。

创建一个命令行项目（这里可以找到），在main.m文件添加如下的代码

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#import <Foundation/Foundation.h>
@interface Person: NSObject {
    int _age;
    double _height;
}
@end

@implementation Person
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

然后使用clang编译器重写main.m文件，可指定平台iOS和架构arm64，在main.m所在的文件夹执行如下命令

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp

会得到一个main-arm64.cpp的文件，可看到Person类转换为struct Person_IMPL结构体

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struct Person_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    int _age;
    double _height;
};

存在上面定义Person类时声明的_age和_height成员变量，发现第一个成员变量是struct NSObject_IMPL结构体，这是NSObject被clang编译器重写后对应的结构体，在main-arm64.cpp文件中可找到声明

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struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

实例对象（instance）

Objictive-C实例对象是通过类对象创建

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Person *p1 = [Person new];
Person *p2 = [[Person alloc] init];

实例对象分配在堆空间，所以p1、p2指向的内存地址都在堆上；每次创建的都是不同的对象，所以在内存中会存在很多个实例对象。

把struct NSObject_IMPL与struct Person_IMPL合并一下得到下面的结构

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struct Person_IMPL {
    Class isa;
    int _age;
    double _height;
};

这也是Person实例对象在内存中的布局情况。

总结一下实例对象中包含信息

isa指针，指向类对象
成员变量，其实isa也是成员变量，只不过比较特殊，它指向这个实例对象的类对象。

类对象（class）

类对象是对实例对象的描述，描述这个类实例对象有哪些成员变量、属性、对象方法、类方法，那这些信息存储在什么地方呢？（下面提及的数据类型这里可以找到）

类对象声明为typedef struct objc_class *Class;，再看看struct objc_class结构体，截取一些关键的信息看看

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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();
    }
    // ... 还有很多方法，略去
}；

superclass指向父类，其他的信息存储在class_rw_t的结构体中，定义如下

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struct class_rw_t {
    const class_ro_t *ro; // 实例变量信息
    method_array_t methods; // 对象方法信息
    property_array_t properties; // 属性信息
    protocol_array_t protocols; // 协议信息
     // ... 省略其他信息
}

runtime提供这些信息函数如下

获取实例变量

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Ivar *
class_copyIvarList(Class cls, unsigned int *outCount)

获取属性信息

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objc_property_t * 
class_copyPropertyList(Class cls, unsigned int *outCount)

获取对象方法

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// 第一个参数是 *类对象*，返回的是*对象方法*；如果是参数*元类对象*，返回的是*对象方法*
Method *
class_copyMethodList(Class cls, unsigned int *outCount)

获取协议信息

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Protocol * __unsafe_unretained * 
class_copyProtocolList(Class cls, unsigned int *outCount)

struct objc_class继承objc_object，struct objc_object结构如下

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struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
    // ...省略方法
}

那isa_t是联合体，结构如下

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union isa_t 
{
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    Class cls;
    uintptr_t bits;
     // ...省略
}

这里面有个 cls成员，这个就是class指向mata-class的指针。

总结一下**类对象（class）**中存储的信息

isa指针，指向元类的指针
superclass指向父类的指针
**成员变量（Ivar）**的描述信息
**属性（property）**的描述信息
**对象方法（Instance Method）**的描述信息
**遵循协议（protocol）**的描述信息

元类对象（meta-class）

上面可以看出，meta-class也是一个Class **类型，与**类对象的数据类型时一样的，只不过存储的信息不同。 **元类对象（meta-class）**存储的信息有

isa指针，指向基类（NSObject）元类（meta-class）的指针，所有元类（meta-class）的isa指针都指向NSObject元类的指针。
superclass指向父类的**元类（meta-class）**的指针
**类方法（class Method）**的描述信息

总结

上面讲了实例对象的内存布局，以及实例对象（instance）、类对象（class）、**元类对象（meta-class）**之间的关系，最后用一张图来说明它们之间的关系。