Class、isa、元類
本文的所涉及到的原始碼是 objc4 原始碼，截止到寫本文最新的是 objc4-750 這個版本。
Class
我們在學習面向物件的學習中，接觸最多的就是類，那麼在OC類是由Class型別來表示的，Class是用C的資料結構來表示的。
看一下 NSObject 的宣告，在標頭檔案中，如下圖所示：
@interface NSObject<NSObject>{
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored"-Wobjc-interface-ivars"
Class isaOBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
可以看到：
1、 NSObject 是實現了 <NSObject> 協議的。
2、 NSObject 中有 Class 型別的 isa 成員變數，外界是無法訪問的，另外 isa 指標可能在將來也會被隱藏起來(OBJC_ISA_AVAILABILITY標示了)。
繼續看一下 Class 到底是什麼？
在上面的檔案中可以看到 Class 的定義，如下程式碼：
typedef struct objc_class *Class; typedef struct objc_object *id;
可以看出 Class 是一個指向 objc_class 的結構體指標， Objective-C 中的類是由 Class 型別來表示的，它實際上是一個指向 objc_class 結構體的指標。
在下面的標頭檔案中看一下 objc_class 的定義，如下：
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
// ....
}
可以看出， objc_class 用來描述OC中的類，而 objc_object 用來描述OC中的物件，類(objc_class)其實也是一個物件(objc_object)，另外 id 是代表物件的，它是指向 objc_object 的結構體指標，它的存在可以讓我們實現類似於C++中泛型的一些操作。該型別的物件可以轉換為任何一種物件，有點類似於C語言中 void * 指標型別的作用。
這裡要注意， objc_class 的定義在 objc-runtime-old.h 中和 objc-runtime-new.h 中的不一樣。這裡以 objc-runtime-new.h 為主，建議可以看看被誤解的 objc_class 這篇文章。
再來看一下 objc_object ，如下圖所示：
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
// ...
}
objc_object 是一個結構體，裡面有個私有成員變數 isa 是 isa_t 型別的。
而 isa_t 是一個 union 型別的，如下程式碼：
union isa_t {
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
Class cls;
uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
struct {
ISA_BITFIELD;// defined in isa.h
};
#endif
};
總之在OC中，類也是一個物件稱之為類物件，根據凡是物件都有自己的類的原理，那麼類物件的肯定存在自己的類，這個類就是元類(meta class)。
元類
在說元類之前，先看一下下面的例子，建立一個 NSMutableDictionary 例項物件 dict ，即向 NSMutableDictionary 傳送 alloc 和 init 訊息。
NSMutableDictionary *dict = [[NSMutableDictionary alloc] init]; ``` 上面程式碼的大概執行流程如下幾個步驟： 1、先執行 `[NSMutableDictionary alloc]`，但是 `NSMutableDictionary` 沒有 `+alloc` 方法，於是再去父類`NSObject` 中查詢該方法。 2、`NSObject` 響應 `+alloc` 方法，開始檢測 `NSMutableDictionary` 類，並根據其所需的記憶體空間大小開始分配記憶體空間，然後把 `isa` 指標指向 `NSMutableDictionary` 類。同時，`+alloc` 也被加進 cache 列表裡面。 3、接著，執行 `-init` 方法，如果 `NSMutableDictionary` 響應該方法，則直接將其加入 `cache`，如果不響應，則去父類查詢。 4、在後期的操作中，如果再以 `[[NSMutableDictionary alloc] init]` 這種方式來建立字典物件，則會直接從 cache 中取出相應的方法，直接呼叫。 上面是建立一個例項物件的大致流程，接下來我們說說元類。 元類簡單來說就是類物件的類。類描述的是物件，那麼元類描述的就是Class類物件的類。元類定義了類的行為（類方法），在平時開發時，meta class 基本是用不著接觸的，但是我們還是要知道它的存在。 ```objc NSMutableDictionary *tDatas = [NSMutableDictionary dictionaryWithCapacity:5];
拿上面的示例來說，向 NSMutableDictionary 傳送 dictionaryWithCapacity 這個訊息的時候，Runtime 會在這個類的 meta-class 的方法列表中查詢，通過 SEL 找到後取出方法中的 IMP 函式入口指標，並執行該方法，如果找不到就進行訊息轉發的流程中，最終可能會導致 Crash，訊息轉發的原理和機制可以參考訊息機制 這幾篇文章。
元類儲存了類方法的列表。當一個類方法被呼叫時，元類會首先查詢它本身是否有該類方法的實現，如果沒有則該元類會向它的父類查詢該方法，直到一直找到繼承鏈的頭。
Class object_getClass(id obj);
object_getClass 可以獲取一個物件的 class object，其原始碼實現如下：
Class object_getClass(id obj)
{
if (obj) return obj->getIsa();
else return Nil;
}
舉個例子吧，示例如下：
NSObject *obj = [NSObject new];
Class obj1 = object_getClass(obj);
Class obj2 = object_getClass([NSObject class]);
Class obj3 = objc_getMetaClass("NSObject");
Class obj4 = object_getClass(obj1);
const char *name = [NSStringFromClass(obj1) UTF8String];
NSLog(@"name: %s", name); //name: NSObject
Class obj5 = objc_getMetaClass(name);
Class obj6 = objc_getClass(name);
NSLog(@"obj : %@, ->%p: ", obj,obj);
NSLog(@"obj1: %@, ->%p: ", obj1, obj1);
NSLog(@"obj2: %@, ->%p: ", obj2, obj2);
NSLog(@"obj3: %@, ->%p: ", obj3, obj3);
NSLog(@"obj4: %@, ->%p: ", obj4, obj4);
NSLog(@"obj5: %@, ->%p: ", obj5, obj5);
NSLog(@"obj6: %@, ->%p: ", obj6, obj6);
列印結果如下：
obj : <NSObject: 0x600002b19d70>, ->0x600002b19d70: obj1: NSObject, ->0x10c96bf38: obj2: NSObject, ->0x10c96bee8: obj3: NSObject, ->0x10c96bee8: obj4: NSObject, ->0x10c96bee8: obj5: NSObject, ->0x10c96bee8: obj6: NSObject, ->0x10c96bf38:
可以看出，obj 是一個例項物件，obj1和obj6是一個 class object，其二者地址也一致，obj2、obj3 和 obj4 都獲取到的是元類。
通過類物件呼叫的 object_getClass 得到的是該類物件的 meta class，如 obj2 和 obj4，而通過例項物件呼叫的 object_getClass 得到的是該例項物件的類物件，如 obj1， objc_getClass 這個方法獲取是例項物件的類物件，與 object_getClass 還是有點不一樣的。而 objc_getMetaClass 可以直接獲取 meta class，如 obj3。
在 NSObject.mm 中，可以看到 self 和 class 方法都要例項和類方法，class 方法返回的都是類物件。
+ (id)self
{
return (id)self;
}
- (id)self
{
return self;
}
+ (Class)class
{
return self;
}
- (Class)class
{
return object_getClass(self);
}
所以，無論是類還是例項呼叫 class 方法，返回的都是同一個 class object，舉例：
Class objClz1 = [NSObject class];
Class objClz2 = [[[NSObject alloc] init] class];
if (objClz1 == objClz2) {
NSLog(@"objClz1: %@, ->%p", objClz1, objClz1);
}
輸出結果是：
objClz1: NSObject, ->0x10fa30f38
isa
下面的例子來源自 這裡 ，感謝 kingizz’s blog，下面的程式碼 Son 是 Father 的子類，而 Father 是 NSObject 的子類。
@interface Father:NSObject @end
@interface Son:Father @end
我們結合下面這個圖來理解一下，子類、父類、元類以及 isa 指標。
一個例項物件的 isa 指向物件所屬的類，這個類的 isa 指向這個類的元類，而這個元類的 isa 又指向 NSObject 的元類， NSObject 的元類的 isa 指向其本身，最終形成形成一個完美的閉環。
在OC中，所有的物件都有一個 isa 指標，指向物件所屬的類，類也是一個物件，類物件的 isa 指標指向類的元類。