Objective-C - runtime 之 Class 和 Meta Class

Objective-C Runtime源码

类

类的定义

我们知道一个类的类型为 Class，

Class class = [self class];

或

Class class = NSClassFromString(@"class_name");

即 Class 是一个数据类型，那么 Class 是怎么定义的呢？

在objc.h文件中有Class的定义：

/// An opaque type that represents an Objective-C class.typedef struct objc_class *Class;

可以看出Class是一个指向结构体objc_class的指针。

在runtime.h中可以看到objc_class的结构：

struct objc_class {    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;};

即：

struct objc_class {    struct objc_class;}

由此我们可以知道，Class的定义是一个递归定义，它包含一个 isa 指针，指向它所属的类型。

类的结构

在objc-runtime-new.h中objc_class的结构：

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();    }    ...    ...};

在上面objc-class的结构中，data() 方法调的是 bits 的 data() 方法，返回值类型为 class_rw_t，它是一个结构体，结构体定义放在objc-runtime-new.h中:

struct class_rw_t {    uint32_t flags;    uint32_t version;    const class_ro_t *ro;    method_array_t methods;    property_array_t properties;    protocol_array_t protocols;    ...};

其中

methods中保存了该类定义的成员方法；

properties中保存了该类的所有属性。

protocols中保存了该类遵从的协议。

另外，可以看到还有一个类型为 class_ro_t的ro成员，class_ro_t 也是定义在这个文件中的，结构如下：

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;    }};

其中的 ivars 就是用来存放成员变量的，包括定义属性的时候，自动生成的 ivars。

对象

对象是类的一个实例，对象的代码实现也是一个结构体， objc_object，定义在 objc.h 中，结构如下：

/// Represents an instance of a class.struct objc_object {    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;};

对象有一个isa指针，指向它所属的类。

Meta Class

从上面可以知道，每一个对象都有一个isa指针指向它所属的类，这个类描述了对象的数据格式：为对象分配的空间大小、成员变量的类型及布局，还有对象的行为，即它能够响应的方法。

在 Objective-C 的设计哲学中，一切皆对象，类也不例外。Class 本身也是一个对象，而这个 Class 对象的对应的类，我们叫它 Meta Class。即 Class 结构体中的 isa 指向的就是它的 Meta Class。

Meta class 是类的描述，就像类是普通对象的描述一样。Meta Class中的方法列表是类方法。当你向类发送一个消息，即调用一个类方法的时候，objc_msgSend()在 Meta Class 方法列表中查找来决定调用哪个方法。

当然，Meta Class 也有一个 isa 指针，指向它所属的类。Meta Class 是根类（root class）的实例，root class 的 isa 指针指向 root class 自身，即 root class 本身既是一个 class，也是一个 meta class。

用一张图来描述对象、类、与 Meta Class之间的关系：

来自 Greg Parker

References

1. Apple开源的Runtime源码
2. What is a meta-class in Objective-C? - Matt Gallagher - Cocoa with Love
3. [objc explain]: Classes and metaclasses - Greg Parker
4. 刨根问底Objective-C Runtime