面試驅動技術之 - isa && 元類 && 函式呼叫

iOS開發 · 發表 2019-01-21 11:49:20

摘要：面試驅動技術之 - 帶著面試題來找答案一個NSObject 物件，佔用多少記憶體物件方法與類方法的存放在哪什麼是isa指標什麼是meta-class megsend 是如何找到方法的 @implementation ...

面試驅動技術之 - 帶著面試題來找答案

一個NSObject 物件，佔用多少記憶體
物件方法與類方法的存放在哪
什麼是isa指標
什麼是meta-class
megsend 是如何找到方法的

@implementation MNSubclass

- (void)compareSelfWithSuperclass{
NSLog(@"self class = %@",[self class]);
NSLog(@"super class = %@",[super class]);
}
@end
複製程式碼

輸出的結果是什麼
。。。

友情tips：如果上訴問題你都知道答案，或者沒有興趣知道，就可以不用繼續往下看了，興趣是最好的老師，如果沒有興趣知道這些，往下很難讀得進去~

OC物件的本質

我們平時編寫的Objetcive-C,底層實現都是C/C++實現的

問 : Objetcive-C 基於 C/C++ 實現的話，Objetcive-C 物件相當於C/C++ 中的什麼資料結構呢？

@interface MNPerson : NSObject
{
int _age;
double _height;
NSString *name;
}
複製程式碼

以 MNPerson 為例，裡面的成員變數有不同型別是，比如 int 、 double 、 NSString 型別，假如在C/C++ 中用 陣列 儲存，顯然是不太合理的

答: C/C++中用 結構體 的資料格式，表示oc物件。

// 轉成c/c++ 程式碼後，MNPerson 的結構如下

struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};

struct MNPerson_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
int _age;
double _height;
NSString *name;
};
複製程式碼

使用指令 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc oc原始檔 -o 輸出的c++檔案 將 oc 程式碼轉成 c++ 程式碼之後，發現內部確實是結構體

面試題來襲！前方請做好準備！！

一個NSObject 物件，佔用多少記憶體
思路：
- 1. 由上面可知， NSObject 的本質是結構體，通過 NSObject.m 可以發現， NSObject 只有一個 isa 成員， isa 的本質是 class , struct objc_object * 型別，所以應該佔據 8 位元組
- 2. NSLog(@"%zu",class_getInstanceSize([NSObject class])); 輸出 - size = 8
注意！實際上，

{
//獲得 - NSObject 一個例項物件的成員變數所佔用的大小 >> 8
NSLog(@"%zu",class_getInstanceSize([NSObject class]));

NSObject *obj = [[NSObject alloc]init];
// 獲取 obj 指標，指向的記憶體大小 >> 16
NSLog(@"%zu",malloc_size((__bridge const void *)obj));
}
複製程式碼

//基於 `objc-class.m` 檔案 750 版本

size_t class_getInstanceSize(Class cls)
{
if (!cls) return 0;
return cls->alignedInstanceSize();
}

// Class‘s ivar size rounded up to a pointer-size boundary.
// 點選一下 - 智慧翻譯 ==> （返回類的成員變數所佔據的大小）

uint32_t alignedInstanceSize() 
{
return word_align(unalignedInstanceSize());
}
複製程式碼

opensource 原始碼

物件建立 - `alloc init` , 查詢alloc底層實現

size_t instanceSize(size_t extraBytes) {
size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
// CF requires all objects be at least 16 bytes.
if (size < 16) size = 16;
return size;
}
複製程式碼

CoreFoundation 硬性規定，一個物件，至少有 16 位元組
以 NSObject 為例，這裡傳入的 size 是 alignedInstanceSize , 而 alignedInstanceSize 已經知道 = 8, 8 < 16,retun 16, 最終 NSObject 建立的物件，佔據的記憶體大小是 16

lldb 除錯下，使用 `memory read` 檢視物件記憶體

(lldb) p obj
(NSObject *) $0 = 0x000060000000eb90
(lldb) memory read 0x000060000000eb90
0x60000000eb90: a8 6e 3a 0b 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
複製程式碼

也能發現，前8 位儲存 isa 指標，後 8 位都是0，但是整個物件還是佔據了 16 個位元組

一個NSObject記憶體分配示意圖

總結：

問：一個NSObject 物件，佔用多少記憶體?
答：
- 系統在alloc的時候，分配了16個位元組給 NSObject 物件( malloc_size 函式獲得)
- 但是實際上 NSObject 只使用了 8個位元組的儲存空間(64bit系統下)
- 可以通過 class_getInstanceSize()

循序漸進之面試題又來了！！

@interface MNStudent : NSObject
{
int _age;
int _no;
}
@end
複製程式碼

問:一個MNStudent 物件，佔用多少記憶體
答:
```
NSObject
```

哈哈！中計了！

原理解釋：

之前 NSObject 建立一個物件，確實是分配了 16 個位元組的空間
但是，他還有未使用的空間8個位元組，還是可以儲存的
這裡的 age && no 存進去，正好 16 ,之前分配的空間正好夠用！所以答案是 16！

循循序漸進之面試題雙來了！！

(大哥別打了，這次保證不挖坑了，別打，疼，別打臉別打臉。。。)

@interface MNPerson : NSObject
{
int _age;
int _height;
NSString *name;
}
複製程式碼

問: 一個 MNPerson 物件，佔用多少記憶體
答: 這題我真的會了！上面的坑老夫已經知道了！
- 預設建立的時候，分配的內容是16
- isa = 8, int age = 4, int height = 4, NSString = char * = 8
- 最終分配: 8 + 4 + 4 + 8 = 24

哈哈哈哈！又中計了！

這時候你肯定好奇了

uint32_t alignedInstanceSize() {
return word_align(unalignedInstanceSize());
}


size_t instanceSize(size_t extraBytes) {
size_t size = alignedInstanceSize() + extraBytes;
// CF requires all objects be at least 16 bytes.
if (size < 16) size = 16;
return size;
}

複製程式碼

extraBytes 一般都是 0，這裡可以理解為 size = alignedInstanceSize() ；
alignedInstanceSize = class_getInstanceSize , class_getInstanceSize 由上圖的log資訊也可以知道 = 24
內心os: who tm fucking 32?

ios記憶體分配原始碼

下載`libmalloc`,找到`calloc`的實現

void *
calloc(size_t num_items, size_t size)
{
void *retval;
retval = malloc_zone_calloc(default_zone, num_items, size);
if (retval == NULL) {
errno = ENOMEM;
}
return retval;
}

發現這個函式，就是我們呼叫的`calloc`函式的底層

void *
malloc_zone_calloc(malloc_zone_t *zone, size_t num_items, size_t size)
{
MALLOC_TRACE(TRACE_calloc | DBG_FUNC_START, (uintptr_t)zone, num_items, size, 0);

void *ptr;
if (malloc_check_start && (malloc_check_counter++ >= malloc_check_start)) {
internal_check();
}

ptr = zone->calloc(zone, num_items, size);

if (malloc_logger) {
malloc_logger(MALLOC_LOG_TYPE_ALLOCATE | MALLOC_LOG_TYPE_HAS_ZONE | MALLOC_LOG_TYPE_CLEARED, (uintptr_t)zone,
(uintptr_t)(num_items * size), 0, (uintptr_t)ptr, 0);
}

MALLOC_TRACE(TRACE_calloc | DBG_FUNC_END, (uintptr_t)zone, num_items, size, (uintptr_t)ptr);
return ptr;
}

複製程式碼

內心os: exo me? 這傳入的 size_t size = 24 ,怎麼返回32的？？

涉及到 - 記憶體對齊

檢索 Buckets - (libmalloc 原始碼)

#define NANO_MAX_SIZE256 
/* Buckets sized {16, 32, 48, ..., 256} */
複製程式碼

MNPerson

補充說明: sizeof 運算子

(lldb) po [obj class]
MNPerson

(lldb) po sizeof(obj)
8

(lldb) po sizeof(int)
4
複製程式碼

sizeof
obj
sizeof

OC物件的分類

例項物件(instance物件)
類物件(class物件)
元類物件(meta-class物件)

instance 物件

通過類 alloc 出來的物件
每次 alloc 都會產生新的 instance 物件(記憶體不相同)
instance 物件儲存的資訊
- isa 指標
- 其他成員變數

class 物件

是建立物件的藍圖，描述了所建立的物件共同的屬性和方法( made in 維基百科 )
類在記憶體中只有一份，每個類在記憶體中都有且只有一個 class 物件
class 物件在記憶體中儲存的資訊
- isa 指標
- superclass 指標
- 類的物件方法 && 協議
- 類的屬性 && 成員變數資訊
- 。。。

meta-class

Class metaClass = object_getClass([NSObject class]);

metaclss 是 NSObject 的 meta-class 物件
meta-class 在記憶體中只有一份，每個類都有且只有一個 meta-class 物件
meta-class 也是類，與 class 的物件結構一樣，但是內部的資料不一樣(用途不同)
meta-clas 包括:
- isa指標
- superclass
- 類方法
- 。。。

提問： object_getClass 與 objc_getClass 的區別

Class object_getClass(id obj)
{
if (obj) return obj->getIsa();
else return Nil;
}
複製程式碼

object_getClass ：傳入的是可以是任意物件(id型別)，返回的是類 or 元類
- 如果傳入 instance 物件，返回 class
- 如果傳入 class , 返回的是 meta-class 物件
- 如果傳入的是 meta-class ，返回的是 root-meta-class 物件

Class objc_getClass(const char *aClassName)
{
if (!aClassName) return Nil;

// NO unconnected, YES class handler
return look_up_class(aClassName, NO, YES);
}
複製程式碼

傳入的是類名字串，返回的是該類名對應的類
不能返回元類

(圖片來自於 www.sealiesoftware.com/blog/archiv… )

看懂這張圖 - 就等價於看懂 isa && superclass 了

探究流程：

@interface MNSuperclass : NSObject

- (void)superclassInstanceMethod;
+ (void)superClassMethod;

@end

@implementation MNSuperclass

- (void)superclassInstanceMethod{
NSLog(@"superclass-InstanceMethod - %p",self);
}

+ (void)superClassMethod{
NSLog(@"+ superClass-classMethod- %p",self);
}

@end

@interface MNSubclass : MNSuperclass

- (void)subclassInstanceMethod;

@end

@implementation MNSubclass

- (void)subclassInstanceMethod{
NSLog(@"subclassInstanceMethod- %p",self);
}

@end
複製程式碼

問: 子類呼叫父類的物件方法，執行的流程是如何的？

MNSubclass *subclass = [[MNSubclass alloc]init];
[subclass superclassInstanceMethod];
複製程式碼

思路：
- subclass 呼叫物件方法，物件方法存在 class 中
- 第一步，先找到 subclass 物件,通過 isa 指標，找到其對應的 MNSubclass 類
- 看 MNSubclass 是否有 superclassInstanceMethod 方法的實現，發現沒有， MNSubclass 沿著 superclass 指標找到他的父類 - MNSuperclass
- 此時， MNSuperclass 中找到 superclassInstanceMethod 的實現，呼叫它，整個流程結束

[MNSubclass superClassMethod];

問: 子類呼叫父類的類方法，執行的流程是如何的？

思路：
- 類方法存在 meta-class 中
- 第一步，找到對應的 MNSubclass ,沿著 isa 指標，找到其對應的 meta-class
- 看 MNSubclass 的 meta-class 中是否有 superClassMethod 方法的實現，發現沒有，沿著 superclass 指標找到 MNSuperclass 的 meta-class
- 發現 MNSuperclass 的 meta-class 有 superClassMethod 方法實現，呼叫，流程結束

圖中比較難理解的一根線

探究 : 元類物件的superclass 指標是否指向 rootclass

分析：
- meta-class 物件儲存的是類方法， class 儲存的是物件方法
- 從面向物件的角度來講，一個類呼叫一個類方法，不應該最後呼叫到物件方法
- 這裡的 Root class 就是 NSObject , 要給 NSObject 新增方法就要用到 分類
- 驗證 NSObject 的物件方法是否會被呼叫

//"NSObject+MNTest"類的宣告 && 實現

@interface NSObject (MNTest)

+ (void)checkSuperclass;

@end

@implementation NSObject (MNTest)

+ (void)checkSuperclass{
NSLog(@"+NSObject checkSuperclass - %p",self);
}

@end

//main函式中呼叫
int main(int argc, char * argv[]) {
@autoreleasepool
{
[MNSubclass checkSuperclass];
NSLog(@"MNSubclass = %p",[MNSubclass class]);
}

return 0;
}

--------------------------------------------------------
控制檯輸出：
+NSObject checkSuperclass - 0x105817040
InterView-obj-isa-class[36303:7016608] MNSubclass = 0x105817040

複製程式碼

發現，呼叫 checkSuperclass 類方法的，是 MNSubclass 類
這時候要驗證上面那條 meta-class 指向 root-class 的線, 這裡的 root-class 即等於 NSObject
root-class 中只存物件方法，這裡，只要驗證, NSObject 中同名的類方法實現取消，變成同名的物件方法測試，即可得出結論
宣告的還是 + (void)checkSuperclass ，實現的方法用 - (void)checkSuperclass 物件方法替換

@interface NSObject (MNTest)

+ (void)checkSuperclass;

@end

@implementation NSObject (MNTest)

//+ (void)checkSuperclass{
//NSLog(@"+NSObject checkSuperclass - %p",self);
//}

- (void)checkSuperclass{
NSLog(@"-NSObject checkSuperclass - %p",self);
}

@end

//main函式中呼叫
int main(int argc, char * argv[]) {
@autoreleasepool
{
[MNSubclass checkSuperclass];
NSLog(@"MNSubclass = %p",[MNSubclass class]);
}

return 0;
}

--------------------------------------------------------
控制檯輸出：
-NSObject checkSuperclass - 0x101239040
InterView-obj-isa-class[36391:7022301] MNSubclass = 0x101239040

複製程式碼

發現 - 呼叫的還是類方法 + (void)checkSuperclass ，但是最終實現的，卻是物件方法 - (void)checkSuperclass

原因：
- [MNSubclass checkSuperclass] 其實本質上，呼叫的是傳送訊息方法，函式類似是 objc_msgsend([MNSubclass class], @selector(checkSuperclass))
- 這裡的 @selector(checkSuperclass) 並未說明是類方法 or 物件方法
- 所以最終走流程圖的話， root-meta-class 通過 isa 找到了 root-class (NSObject)，
- NSObject 類不是元類，儲存的是物件方法，所以最終呼叫了 NSObject -checkSuperclass 這個物件方法

叮叮叮！循循循序漸進之面試題叒來了！！

@implementation MNSubclass

- (void)compareSelfWithSuperclass{
NSLog(@"self class = %@",[self class]);
NSLog(@"super class = %@",[super class]);
}
@end

呼叫:
MNSubclass *subclass = [[MNSubclass alloc]init];
[subclass subclassInstanceMethod];

複製程式碼

問: [self class] && [super class] 分別輸出什麼

@protocol NSObject
- (Class)class OBJC_SWIFT_UNAVAILABLE("use 'type(of: anObject)' instead");
複製程式碼

思路：
- class 方法是 NSObject 的一個物件方法,對方方法存在 class 中
- 第一步，先找到 subclass 物件,通過 isa 指標，找到其對應的 MNSubclass 類
- 看 MNSubclass 是否有 class 方法的實現，發現沒有， MNSubclass 沿著 superclass 指標找到他的父類 - MNSuperclass
- 查詢 MNSuperclass 中是否有 class 方法的實現，發現沒有， MNSuperclass 沿著 superclass 指標找到他的父類 - NSObject
- 最終在 NSObject 中找到 class 的實現
- 而呼叫方都是都是當前物件，所以最後輸出都是 - MNSubclass

驗證:

NSLog(@"self class = %@",[self class]);
NSLog(@"super class = %@",[super class]);

----------------------------------------------------------------------
控制檯輸出:
InterView-obj-isa-class[36796:7048007] self class = MNSubclass
InterView-obj-isa-class[36796:7048007] super class = MNSubclass
複製程式碼

感謝小碼哥的精彩演出，文章中如果有說錯的地方，歡迎提出，一起學習~

demo

歡迎點贊fork~

友情客串：

小碼哥

神經病院runtime入學考試

gun

opensource.apple.com/tarballs/li… opensource.apple.com/tarballs/ob… www.sealiesoftware.com/blog/archiv… )