在开始本文之前，相信大家都知道面向对象编程中有一句名言:

万物皆对象

对象究竟从哪里来呢？带着这个问题，我们开始今天的主题。

本文所采用的源码为苹果开源的最新 objc4-781 版本。下载地址为: Source Browser。

1、`iOS` 中的类到底是什么？

我们在日常开发中大多数情况都是从 NSObject 这个基类来派生出我们需要的类。那么在 OC 底层，我们的类 Class 到底被编译成什么样子了呢？

我们新建一个 macOS 控制台项目，然后新建两个类 Teacher 和 Student 出来，其中 Teacher 继承自 NSObject, Student 继承自 Teacher。

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Student.h"
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Student *stu = [Student alloc];
        NSLog(@"stu: %@", stu);
    }
    return 0;
}

然后我们在终端使用 clang 命令:

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

扩展

如果是目标文件导入了 UIKit 框架，则我们需要使用 clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.7.sdk main.m , 其中 13.7 要根据当前的模拟器SDK版本来做更改。

其中 xcode 安装的时候顺带安装了 xcrun 命令，xcrun 命令在 clang 的基础上进行了一些封装，要更简单好用一些。

xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp (模拟器)
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp (手机)

这个命令是将我们的 main.m 文件编译成C++文件 main.cpp，我们打开这个文件搜索 Student:

我们发现有多个地方都出现了 Student，然后我们使用全局搜索关键字 typedef struct objc_object，最终我们在7660行左右找到了 class 的定义。

所以由这行代码，我们可以得出一个结论，Class 类型在底层是一个结构体类型的指针，这个结构体类型为 objc_class。如果我们此时再使用全局搜索关键字 typedef struct objc_class，会发现搜不出什么东西出来了，这个时候就需要我们在源码中进行探索了。

我们在源码中直接搜索 struct objc_class，然后定位到 objc-runtime-new.h 文件

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();
    }
    // 省略部分代码.......
}
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

细心的读者看到这段代码，就会发现，我们在前面探索对象原理中发现的 objc_object 再次出现，并且作为 objc_class 的父类。这里又完美印证了我们开头的那句经典名言 万物皆对象，也就是说类其实一个一种对象。

此时，我们可以如下的关系图：

2、类的结构是什么？

通过上面的探索，我们已经了解到类的本质上也是对象，而且日常开发中常见的成员变量、属性、方法、协议等我们通过源码看到都是存储在类里面的，那么我们如何通过调试源码来验证呢？

从上面的 objc_class 的定义处，我们可以看到 Class 中的四个属性

isa 指针(隐藏属性)
superclass 指针
cache
bits

2.1 `isa` 指针

首先是 isa 指针，我们之前的文章已经探索过了，在对象初始化的时候，通过 isa 可以让对象和类关联，这一点很好理解，可是为什么在类结构里面还会有 isa 呢？其实就是我们的对象和类关联起来需要 isa，同样的，类和元类之间关联也需要 isa。这时候需要放出我们经典的 isa走位图。

2.2 `superclass` 指针

顾名思义，superclass 指针表明当前类指向的是哪个父类。一般来说，类的根父类基本上都是 NSObject类。根元类的父类也是 NSObject 类。

2.3 `cache` 缓存

cache 的数据结构为 cache_t，其定义如下:

struct cache_t {
#if CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_OUTLINED
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets;
    explicit_atomic<mask_t> _mask;
#elif CACHE_MASK_STORAGE == CACHE_MASK_STORAGE_HIGH_16
    explicit_atomic<uintptr_t> _maskAndBuckets;
    mask_t _mask_unused;
#if __LP64__
    uint16_t _flags;
#endif
    uint16_t _occupied;
}
// 省略部分代码...

类的缓存里面存放的是什么呢？我们可以通过 objc-cache.mm 来解答这个问题。

/***********************************************************************
* objc-cache.m
* Method cache management
* Cache flushing
* Cache garbage collection
* Cache instrumentation
* Dedicated allocator for large caches
**********************************************************************/

上面 objc-cache.mm 源文件的注释信息，我们可以看到 Method cache management 的出现，翻译过来就是方法缓存管理。那么是不是就是说 cache 属性就是缓存的方法呢？这里我们留个悬念，因为我们 OC 中的方法到现在还没有进行探索，所以留在后面的文章进行详细讲解。

2.4 `bits` 属性

bits 的数据结构类型是 class_data_bits_t，同时也是一个结构体类型。而我们阅读 objc_class 源码的时候，会发现很多地方都有 bits 的身影，比如:

class_rw_t *data() const {
    return bits.data();
}
void setData(class_rw_t *newData) {
    bits.setData(newData);
}
bool hasCustomRR() const {
    return !bits.getBit(FAST_HAS_DEFAULT_RR);
}
void setHasDefaultRR() {
    bits.setBits(FAST_HAS_DEFAULT_RR);
}
void setHasCustomRR() {
    bits.clearBits(FAST_HAS_DEFAULT_RR);
}

这里值得我们注意的是，objc_class 的 data()方法其实是返回的 bits 的 data() 方法，而通过这个 data() 方法，我们发现诸如类的字节对齐、ARC、元类等特性都有 data() 的出现，这间接说明 bits 属性其实是个大容器，有关于内存管理、C++ 析构等内容在其中有定义。

这里我们会遇到一个十分重要的知识点: class_rw_t，data() 方法的返回值就是 class_rw_t 类型的指针对象。这就是我们本文的重点分析对象。

3、类的属性存在哪？（重点）

我们先从本文最开始创建的工程， Student 类里面添加一个成员变量和属性出来。

#import "Teacher.h"
@interface Student : Teacher
{
    NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "Student.h"
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Student *stu = [Student alloc];
        NSLog(@"stu: %@", stu);
    }
    return 0;
}

然后我们在 NSLog() 处下一个断点，然后 run 起来，我们在控制台先打印输出一下 Student.class的内容:

此时输出的是 Student 类 isa 的地址信息。

3.1 类的内存结构

这个时候我们需要借助一下指针平移来进行探索，这个时候我们再来看一下类的内存结构分布图：

struct cache_t {
    explicit_atomic<struct bucket_t *> _buckets; // 8
    explicit_atomic<mask_t> _mask;               // 4
    uint16_t _flags;                             // 2
    uint16_t _occupied;                          // 2
}
// 省略部分代码...

从上面的代码我们可以看出，isa 和 superclass都是结构体指针，各占 8 字节，而 cache 属性其实是 cache_t 类型的结构体，其内部有一个 8 字节的结构体指针，有 1 个为 4 字节的mask_t 和有 2 个各为 2 字节的 uint16_t。所以加起来就是 16 个字节。也就是说前三个属性总共的内存偏移量为 8 + 8 + 16 = 32 个字节。

3.2 探索 `bits` 属性

我们刚才在控制台打印输出了 Student 类的 isa 指针地址，所以我们在 isa 的初始偏移量的地址处进行 16 进制下的 20 递增，也就是

0x0000000100002328 + 0x20 = 0x0000000100002348

我们输出打印一下这个地址，注意要强转一下类型

成功输出了，现在我们再去查看一下源码，在 objc_class 源码中有:

class_rw_t *data() const {
    return bits.data();
}

我们继续打印一下里面的内容：

返回了一个 class_rw_t 指针对象。我们在源码中搜索 class_rw_t

struct class_rw_t {
    // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
    uint32_t flags;
    uint16_t witness;
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    uint16_t index;
#endif
    explicit_atomic<uintptr_t> ro_or_rw_ext;
    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;
    // 省略代码.....
    const method_array_t methods() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>()->methods;
        } else {
            return method_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseMethods()};
        }
    }
    const property_array_t properties() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>()->properties;
        } else {
            return property_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseProperties};
        }
    }
    const protocol_array_t protocols() const {
        auto v = get_ro_or_rwe();
        if (v.is<class_rw_ext_t *>()) {
            return v.get<class_rw_ext_t *>()->protocols;
        } else {
            return protocol_array_t{v.get<const class_ro_t *>()->baseProtocols};
        }
    }
    // 省略代码.....
}

可以看到 class_rw_t 也是一个结构体类型，其内部有 methods、properties、protocols 等我们十分熟悉的内容。我们先猜想一下，我们的属性应该存放在 class_rw_t 的 properties 里面。为了验证我们的猜想，我们接着进行 LLDB 打印:

我们再接着打印 $9 里面 list 的值:

输出的是 property_list_t * 类型，我们继续打印输出里面的值

wow!我们的属性 name 终于被找到了。那么成员变量在哪里呢？这个问题我们暂时留给大家去思考一下。

4、类的方法存在哪？（重点）

研究完类的属性存在哪里之后，我们再来看看类的方法。接下来我们在 Student 类里面增加一个实例方法 - (void)say666 和类方法 + (void)say888。

@interface Student : Teacher
{
    NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
- (void)say666;
+ (void)say888;
@end
@implementation Student
- (void)say666 {
    NSLog(@"%s", __func__);
}
+ (void)say888 {
    NSLog(@"%s", __func__);
}
@end

按照上面查找属性的方法，我们先一路输出，获取到 class_rw_t *

既然获取属性是用 properties，那么按照源码，我们使用 methods 取方法列表

继续取出 $4 里面 list 的值

看到了我们熟悉的 method_list_t *，继续

say666 被打印出来了，说明 methods() 就是存储实例方法的地方。我们接着打印剩下的内容:

到现在为止还没有看到 say888 类方法，我们继续打印

然后报错了，说明 methods 没有存储 say888 方法，那么它存储在哪里了呢，这个问题也留给大家思考。我们下一篇文章来对这些问题进行进一步的探索。

其他内容的查找，大家可以自行动手去查找。

5、总结

万物皆对象：类的本质就是对象
类在 class_rw_t 结构中存储了编译时确定的属性、方法和协议等内容。
实例方法存放在类中

现在我们完成了对 iOS 中类的结构的基本分析，下一章我们将对类的结构进行深一步探索。

iOS底层原理

四、类的结构分析

1、`iOS` 中的类到底是什么？

2、类的结构是什么？

2.1 `isa` 指针

2.2 `superclass` 指针

2.3 `cache` 缓存

2.4 `bits` 属性

3、类的属性存在哪？（重点）

3.1 类的内存结构

3.2 探索 `bits` 属性

4、类的方法存在哪？（重点）

5、总结

6、参考资料

四、类的结构分析

1、iOS 中的类到底是什么？

2、类的结构是什么？

2.1 isa 指针

2.2 superclass 指针

2.3 cache 缓存

2.4 bits 属性

3、类的属性存在哪？（重点）

3.1 类的内存结构

3.2 探索 bits 属性

4、类的方法存在哪？（重点）

5、总结

6、参考资料

1、`iOS` 中的类到底是什么？

2.1 `isa` 指针

2.2 `superclass` 指针

2.3 `cache` 缓存

2.4 `bits` 属性

3.2 探索 `bits` 属性