深入理解Objective-C中类的数据结构

一、类的结构

OC 中的代码在底层实现，使用的是 C、C++，所以要研究 OC 中的类结构，可以将 OC 的代码转成 C++的代码即可。首先看一下 NSObject 的结构是什么样子的，创建一个文件并简单的编写如下代码：

// CustomFile.m
#import <Foundation/Foundation.h>
void test() {
 [NSObject alloc];
}

进入终端，输入指令：

clang -rewrite-objc CustomFile.m

默认生成一个 CustomFile.cpp 文件。这个指令生成的代码会很多，也可以使用 xcrun 指令来指定一个特定的架构，这样的：

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc CustomFile.m -o CustomFile_arm64.cpp

这样在 CustomFile_arm64.cpp 文件中会生成一个 真机下的运行代码。相比之下 CustomFile_arm64.cpp 文件会比 CustomFile.cpp 小了很多，但是对于查看 NSObject 的实际结构都是可以的。

打开任意一个 .cpp 文件，都可以找到这样的定义：

struct NSObject_IMPL {
 Class isa;
};

其中 Class 的定义如下：

typedef struct objc_class *Class;

再来看一下在实际中的 NSObject 类的声明是什么样的：

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
 Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}

简化后是这样的：

@interface NSObject {
 Class isa;
}

总之Class 是一个指针，NSObject_IMPL是一个结构体，与 NSObject 在结构上极为相似。

二、类继承后的结构

创建一个 Person.m 文件，弄一个继承于 NSObject 的 Person 类。代码编写如下：

// Person.m
#import <Foundation/Foundation.h>

// 类的申明
@interface Person : NSObject
@end

// 类的实现
@implementation Person
@end

// 类的申明
@interface Student : Person
@end

// 类的实现
@implementation Student
@end

其中 Person 继承于 NSObject，Student 继承于 Person 于是在 .cpp 文件中找到这样的定义：

struct Person_IMPL {
 struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
};

struct Student_IMPL {
 struct Person_IMPL Person_IVARS;
};

NSObject_IVARS 看着这个命名就可以猜到是将父类的所有 ivar 都继承过来了。

似乎明白了一个套路

在 NSObject 中只有一个 Class 类型的成员变量 isa，在没有自定义任何的成员属性的情况下，继承的子类中的 ivar 都来自于父类。

如果说给 Person 与 Student 都定义一个成员变量，是这样的：

struct Person_IMPL {
 struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
 int _no;
};

struct Student_IMPL {
 struct Person_IMPL Person_IVARS;
 int _age;
};

终于对 Class 的一些套路有进一步的理解了。

三、添加方法后的结构

创建一个 FunClass.m 文件，编写代码如下：

// FunClass.m
#import <Foundation/Foundation.h>

// 类的申明
@interface FunClass : NSObject
- (void)testInstance;
+ (void)testClass;
@end

// 类的实现
@implementation FunClass
- (void)testInstance {

}

+ (void)testClass {

}
@end

最后发现在 .cpp 中类的结构没有任何的改变，是这样的：

struct FunClass_IMPL {
 struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
};

但是我们会发现另外一个问题，在 OC 中的方法变成这样的了：

// 实例方法
_OBJC_$_INSTANCE_METHODS_FunClass __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
 sizeof(_objc_method),
 1,
 {{(struct objc_selector *)"testInstance", "v16@0:8", (void *)_I_FunClass_testInstance}}
static void _I_FunClass_testInstance(FunClass * self, SEL _cmd) {
}

// 类方法
_OBJC_$_CLASS_METHODS_FunClass __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
 sizeof(_objc_method),
 1,
 {{(struct objc_selector *)"testClass", "v16@0:8", (void *)_C_FunClass_testClass}}
static void _C_FunClass_testClass(Class self, SEL _cmd) {

}

发现这几个特点：

1、实例方法有这个：_INSTANCE_METHODS_FunClass，类方法的是这个：_CLASS_METHODS_FunClass

2、两个方法都是 static 方法

3、方法都多了两个参数：self 与_cmd，这也回答了为什么 self 与 _cmd 只能在方法中有的根本原因。

关于 方法 的这部分先介绍到这里，后期会有专门的专题。

四、自定义一个 Class 与对应的结构体

上面啰嗦了这么多，到底是对不对呢？！那就来亲自试一下吧。

这里的自定义是指不再继承于 NSObject 了，自己搞一个结构体。为了证明其正确性，分别定义一个 HGNObject 类 与 HGNObject_IMPL 结构体。编写的代码如下：

// ==== 类的定义部分 ====
// 类的申明
@interface HGNObject : NSObject {
 @public
 int _no;
 int _age;
}
@end

// 类的实现
@implementation HGNObject
@end

// ==== 结构体 ====
struct HGNObject_IMPL {
 Class isa_hg;
 int _no_hg;
 int _age_hg;
};

做两个试验：

1、类转结构体

2、结构体转类

1、类转结构体

示例代码如下：

// 类转结构体
- (void)class2Struct {
 // 创建一个对象
 HGNObject* nObj = [[HGNObject alloc] init];
 // 成员变量赋值
 nObj->_no = 771722918;
 nObj->_age = 18;

 { // 类对象直接转成一个结构体
 struct HGNObject_IMPL* nObj_s = (__bridge struct HGNObject_IMPL*)nObj;
 // 打印结构体中的值
 NSLog(@"%zd, %zd", nObj_s->_no_hg, nObj_s->_age_hg);
 // 打印结果: 771722918, 18
 }
}

通过结构体指针能打印出在类对象中设置的值，说明在 类转结构体的过程是有效的。

2、结构体转类

示例代码如下：

// 结构体转类
- (void)struct2Class {
 NSLog(@"结构体转类");
 // 生成一个结构体
 struct HGNObject_IMPL nObj_s = {0, 771722918, 20};
 // 结构体中的值打印
 NSLog(@"isa_hg = %zd, _no_hg = %zd, _age_hg = %zd", nObj_s.isa_hg, nObj_s._no_hg, nObj_s._age_hg);

 struct HGNObject_IMPL* nObj_sPointer = &nObj_s;

 // 结构体转成对象
 HGNObject* nObj = (__bridge HGNObject *)(nObj_sPointer);

 NSLog(@"_no_hg = %zd, _age_hg = %zd", nObj->_no, nObj->_age);
}

运行代码，直接 crash 了：

由于 Block 解开多年来的误解 的惨痛教训，所以对遇到的 crash 就会很敏感。看一下上面的这张图，有一个关键的点是不可以忽视的，就是这里的值：

简单的分析（我这里的分析都是猜的，暂时我也不知道，【抱歉抱歉抱歉】）

nObj_s 是有正确的值的，说明 nObj_sPointer 指针也是没有问题的，但是为什么会报一个坏地址访问错误呢？并且 address 的值每次都是一样的 0x20。我猜想：在转化的过程中不仅仅是一个简单的赋值操作、可能还做了其他的地址访问操作，这个操作很有可能与 +alloc 方法中操作有关，毕竟在 OC 中正常的创建一个对象必先 +alloc方法，对于 +alloc中都做了什么事，暂时我还不清楚，所以这里我是蒙的。各位大神若有新的理解，望指教！

所以在第一个实验中的 类转结构体 中是有效的，也许是一个偶然。毕竟我们在上面的 .cpp 文件中查看数据结构的时候也只是看了一个大概，并没有看全部的。

OK，忘记本节（自定义一个 Class 与对应的结构体）中遇到的不愉快, 至少 类转结构体 是有效的，也能说明一些问题。

本系列的文章，有：

1、Objective-C 中类的数据结构

2、Objective-C 中实例所占内存的大小

总结

以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，如果有疑问大家可以留言交流，谢谢大家对我们的支持。