前言

最近由于工作比较忙,所以这篇文章比预期的时间来的晚了。

这几天找时间仔细研究了一下上一篇文章里提到的Runtime代码,发现新旧版本之间有一些差别,数据结构有点对不上。另外,Clang这个“rewrite”也不是很靠谱,也不支持Objective-c 2.0。所以这里所说的“源码”只是个大概,并不完全准确。

这篇文章主要写一下实例变量的存储与访问。

一、运行时实例对象的结构

接着上一篇文章里讲的,为类FirstClass加一个方法:

@interface FirstClass : NSObject
{
    NSString *className;
}
@end
- (void)accessClassName;

accessClassName定义如下:

- (void)accessClassName
{
    NSString *a = self.className;
    NSString *b = self->className;
    NSString *c = className;

    NSLog(@"%@, %@, %@", a, b, c);
}

在函数内的任意位置加断点,在main函数里面调用它。在lldb里执行p *self,可以得到这样的输出:

(lldb) p *self
(FirstClass) $0 = {
  NSObject = {
    isa = FirstClass
  }
  className = nil
}

这里要注意,不要被NSObject欺骗住了,结构体本身在内存中是不占空间的。上面的输出就等价于:

$0 = {
    isa = FirstClass
    className = nil
}

可以看到在运行时self的实例变量“className”是在实例对象的结构体里的。

二、编译时期的声明与定义

看Clang改写过的这段代码,其中有这样的描述:

struct FirstClass_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *className;
};

其中,NSObject_IMPL是这样声明的:

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

正好和上面lldb输出的信息吻合。但是有一点需要说明一下,FirstClass_IMPL貌似只是个内部结构(几乎没起什么作用,可能只是为了标明一下FirstClass的结构?)。而且在上一篇文章里可以看到,FirstClass是这样被声明的:

typedef struct objc_object FirstClass;

在声明中,FirstClass只是个objc_object类型(里面只有isa)的结构体,也就是说在它的声明里并没有提及className成员变量。那么最终是怎么变成Runtime里面所描述的那样的呢?

为了弄懂这个问题,需要先回顾一下类对象的结构,_class_t中有个_class_ro_t类型的成员ro(Runtime代码里还有个叫_class_wo_t的结构,“r”和“w”没有搜索到准确的意思,好像是编译期间指定了的叫“r”,Runtime能够改变的叫“w”),它是这样声明的:

struct _class_ro_t {
    unsigned int flags;
    unsigned int instanceStart;
    unsigned int instanceSize;
    unsigned int reserved;
    const unsigned char *ivarLayout;
    const char *name;
    const struct _method_list_t *baseMethods;
    const struct _objc_protocol_list *baseProtocols;
    const struct _ivar_list_t *ivars;
    const unsigned char *weakIvarLayout;
    const struct _prop_list_t *properties;
};

通过阅读代码可以知道,这其中名叫的ivars(instance vars?)就存放着实例变量的信息。也就是说,实例变量的信息存放在类对象里。

_ivar_list_t的声明与FirstClass中的ivars定义如下:


static struct /*_ivar_list_t*/ {
    unsigned int entsize;  // sizeof(struct _prop_t)
    unsigned int count;
    struct _ivar_t ivar_list[1];
} _OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_FirstClass __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
    sizeof(_ivar_t),
    1,
    {{(unsigned long int *)&OBJC_IVAR_$_FirstClass$className, "className", "@\"NSString\"", 3, 8}}
};

_ivar_t的声明:

struct _ivar_t {
    unsigned long int *offset;  // pointer to ivar offset location
    const char *name;
    const char *type;
    unsigned int alignment;
    unsigned int  size;
};

这里面包括了实例变量的偏移量、名称、类型等信息。(注:改写后文件里的结构体声明与runtime.h里的有一定出入,但大体结构一致。目前尚不知是Runtime版本问题,还是Clang改写的问题,或者也有可能本身就是这样实现的。在这里就暂且忽略吧- -!)

三、运行时实例变量的初始化

接下来再对比一下Runtime的代码,看看在alloc的时候,实例对象所占的内存是怎么被分配的。

NSOjbectalloc方法会调用_internal_class_createInstanceFromZone函数,而后者又会调用_class_getInstanceSize来获取实例变量的大小。_class_getInstanceSize定义如下:(注:runtime这部分的代码有些乱,新旧版本里函数的实现有所差别,这里只摘取部分代码)

//objc-runtime-new.m

__private_extern__ size_t
_class_getInstanceSize(Class cls)
{
    if (!cls) return 0;
    return instanceSize(newcls(cls));
}

static uint32_t
instanceSize(struct class_t *cls)
{
    assert(cls);
    assert(isRealized(cls));
    // fixme rdar://5244378
    return (uint32_t)((cls->data->ro->instanceSize + WORD_MASK) & ~WORD_MASK);
}

cls->data->ro->instanceSize这个数值在编译时就被算好了,就是(或者可以看成)FirstClass_IMPL的大小。

到这里就清晰了,FirstClass被声明为objc_object类型只是个障眼法,它实际的结构应该是FirstClass_IMPL描述的那样。

四、实例对象的访问

内存分配搞明白了,但是对象的声明中并没有包含实例变量的信息,那么他们是怎么被访问的呢?

再回过头来看上面提到的accessClassName方法,在其中故意用了“点语法”、指针和直接访问的方式来访问className,下面来看看这三种方法的改写结果:

static void _I_FirstClass_accessClassName(FirstClass * self, SEL _cmd) {
    NSString *a = ((NSString *(*)(id, SEL))(void *)objc_msgSend)((id)self, sel_registerName("className"));
    NSString *b = (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_FirstClass$className));
    NSString *c = (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_FirstClass$className));

    NSLog((NSString *)&__NSConstantStringImpl__var_folders_fy_6ckx65gn39198bs5ydlgfk800000gn_T_FirstClass_c4b878_mi_0, a, b, c);
}

(关于方法的实现将在在下一篇文章研究,在这里只需注意一下这个函数的第一个形参:self,我们在实例方法里面用到的“self”其实只不过是个形参而已,当函数被调用的时候会把实例对象自身传进来。)

在这个函数里面可以看到,除了“点语法”用到了消息机制(了解KVC的都知道吧……),后面两种方法在实现上是一样的,都是通过指针+偏移量来访问的。不知道对象的结构没关系,知道了偏移量就行了~

总结

  • 运行时实例对象的结构中包含了实例变量
  • 实例变量的信息保存在类对象里,运行时类对象会根据这些信息来完成实例化
  • 在方法中通过指针或者变量名访问实例变量,是通过self指针加上偏移量来实现的