面试驱动技术之 - isa && 元类 && 函数调用

suiling 2019-03-07 10:37:51 1095
本文来自 小蠢驴打代码 ,作者 suiling

面试驱动技术之 - 带着面试题来找答案

  • 一个NSObject 对象,占用多少内存

  • 对象方法 与 类方法的存放在哪

  • 什么是isa指针

  • 什么是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
  • 输出的结果是什么

  • 。。。

友情tips:如果上诉问题你都知道答案,或者没有兴趣知道,就可以不用继续往下看了,兴趣是最好的老师,如果没有兴趣知道这些,往下很难读得进去~

OC对象的本质

我们平时编写的Objetcive-C,底层实现都是C/C++实现的image.png

问 : Objetcive-C 基于 C/C++ 实现的话,Objetcive-C 对象相当于C/C++ 中的什么数据结构呢?

@interface MNPerson : NSObject
{
    int _age;
    double _height;
    NSString *name;
}

以MNPerson为例,里面的成员变量有不同类型是,比如int、double、NSString 类型,假如在C/C++ 中用数组存储,显然是不太合理的

答: C/C++中用 结构体 的数据格式,表示oc对象。

// 转成c/c++ 代码后,MNPerson 的结构如下

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

struct MNPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    int _age;
    double _height;
    NSString *name;
};

使用指令 xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc oc源文件 -o 输出的c++文件

将 oc 代码转成 c++ 代码之后,发现内部确实是结构体


面试题来袭!前方请做好准备!!

一个NSObject 对象,占用多少内存

思路:

  1. 由上面可知,NSObject的本质是结构体,通过NSObject.m 可以发现,NSObject 只有一个 isa 成员,isa 的本质是 class, struct objc_object * 类型,所以应该占据 8 字节

  2. NSLog(@"%zu",class_getInstanceSize([NSObject class])); 输出 - size = 8

注意!实际上,

{
    //获得 - NSObject 一个实例对象的成员变量所占用的大小 >> 8
    NSLog(@"%zu",class_getInstanceSize([NSObject class]));
    
    NSObject *obj = [[NSObject alloc]init];
    // 获取 obj 指针,指向的内存大小 >> 16
    NSLog(@"%zu",malloc_size((__bridge const void *)obj));
}
//基于 `objc-class.m` 文件 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.
// 点击一下 - 智能翻译 ==> (返回类的成员变量所占据的大小)

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

opensource 源码

对象创建 - alloc init, 查找alloc底层实现

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;
}
  • CoreFoundation 硬性规定,一个对象,至少有 16 字节

  • 以 NSObject为例,这里传入的 size 是 alignedInstanceSize, 而alignedInstanceSize 已经知道 = 8, 8 < 16,retun 16, 最终 NSObject 创建的对象,占据的内存大小是 16

lldb 调试下,使用 memory read 查看对象内存

(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

也能发现,前8 位存储 isa 指针,后 8 位都是0,但是整个对象还是占据了 16 个字节

一个NSObject内存分配示意图

image.png

一个NSObject内存分配示意图

总结:

问 :一个NSObject 对象,占用多少内存?

答 :

  • 系统在alloc的时候,分配了16个字节给 NSObject 对象(malloc_size函数获得)

  • 但是实际上 NSObject 只使用了 8个字节的存储空间(64bit系统下)

  • 可以通过class_getInstanceSize()

循序渐进之面试题又来了!!

@interface MNStudent : NSObject
{
    int _age;
    int _no;
}
@end

问:一个MNStudent 对象,占用多少内存

答:

  • 由上面 NSObject占据16个字节可知,base = 16

  • 一个int占4字节,age = 4, no = 4

  • 最终结果, 16 + 4 + 4 = 24!

image.png

哈哈!中计了!

image.png原理解释:

image.png

  1. 之前 NSObject 创建一个对象,确实是分配了 16 个字节的空间

  2. 但是,他还有未使用的空间8个字节,还是可以存储的

  3. 这里的age && no 存进去,正好 16,之前分配的空间正好够用!所以答案是 16!

循循序渐进之面试题双来了!!

(大哥别打了,这次保证不挖坑了,别打,疼,别打脸别打脸。。。)

@interface MNPerson : NSObject
{
    int _age;
    int _height;
    NSString *name;
}

问:  一个MNPerson对象,占用多少内存

答: 这题我真的会了!上面的坑老夫已经知道了!

  • 默认创建的时候,分配的内容是16

  • isa = 8, int age = 4, int height = 4, NSString = char * = 8

  • 最终分配: 8 + 4 + 4 + 8 = 24

image.png

哈哈哈哈! 又中计了!

image.png

这时候你肯定好奇了

    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;
    }
  • extraBytes 一般都是 0,这里可以理解为 size = alignedInstanceSize();

  • alignedInstanceSize = class_getInstanceSize, class_getInstanceSize 由上图的log信息也可以知道 = 24

  • 内心os: who tm fucking 32?

image.png

ios内存分配源码

下载`libmalloc`,找到`calloc`的实现

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;
}

发现这个函数,就是我们调用的`calloc`函数的底层
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;
}

内心os: exo me? 这传入的 size_t size = 24,怎么返回32的??

涉及到 - 内存对齐

检索Buckets - (libmalloc 源码)

#define NANO_MAX_SIZE           256 
/* Buckets sized {16, 32, 48, ..., 256} */
  1. 发现,iOS 系统分配的时候,有自己的分配规则, 不是说你需要的size多大,就创建多大

  2. 操作系统内部有自己的一套规则,这里的都是 16 的倍数,而操作系统在此基础之上,操作系统的操作访问最快

  3. 所以,在MNPerson 对象需要 24 的size的时候,操作系统根据他的规则,直接创建了 32 的size的空间,所以这里的答案是 32!

image.png

补充说明: sizeof 运算符

(lldb) po [obj class]
MNPerson

(lldb) po sizeof(obj)
8

(lldb) po sizeof(int)
4
  • sizeof是运算符,不是函数,编译时即知道,不是函数

  • 这里的 obj 是对象, *obj - 指针指向,编译器知道他是指针类型,所以 sizeof = 8(指针占据8个字节) - 特别注意,这里传入的不是对象!是指针

  • sizeof是告诉你传入的类型,占多少存储空间


OC对象的分类

  • 实例对象(instance对象)

  • 类对象(class对象)

  • 元类对象(meta-class对象)

instance 对象

  • 通过类 alloc 出来的对象

  • 每次 alloc 都会产生新的instance 对象(内存不相同)

  • instance 对象存储的信息

  • isa 指针

  • 其他成员变量

class 对象

  • 是创建对象的蓝图,描述了所创建的对象共同的属性和方法(made in 维基百科)

  • 类在内存中只有一份,每个类在内存中都有且只有一个 class 对象

  • class对象在内存中存储的信息

  • isa 指针

  • superclass 指针

  • 类的对象方法 && 协议

  • 类的属性 && 成员变量信息

  • 。。。

meta-class

Class metaClass = object_getClass([NSObject class]);

  • metaclss 是 NSObject的meta-class对象

  • meta-class 在内存中只有一份,每个类都有且只有一个 meta-class 对象

  • meta-class 也是类,与class的对象结构一样,但是内部的数据不一样(用途不同)

  • meta-clas 包括:

  • isa指针

  • superclass

  • 类方法

  • 。。。

image.png

提问:object_getClass 与 objc_getClass的区别

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

object_getClass : 传入的是可以是任意对象(id类型),返回的是类 or 元类

  • 如果传入 instance 对象,返回 class

  • 如果传入 class, 返回的是 meta-class 对象

  • 如果传入的是 meta-class,返回的是 root-meta-class 对象

Class objc_getClass(const char *aClassName)
{
    if (!aClassName) return Nil;
    // NO unconnected, YES class handler
    return look_up_class(aClassName, NO, YES);
}
  • 传入的是类名字符串,返回的是该类名对应的类

  • 不能返回元类

image.png

指向图.png

(图片来自于 http://www.sealiesoftware.com/blog/archive/2009/04/14/objc_explain_Classes_and_metaclasses.html)

看懂这张图 - 就等价于看懂 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

问: 子类调用父类的对象方法,执行的流程是如何的?

MNSubclass *subclass = [[MNSubclass alloc]init];
[subclass superclassInstanceMethod];

思路:

  • subclass 调用对象方法,对象方法存在 class 中

  • 第一步,先找到 subclass对象,通过 isa 指针,找到其对应的 MNSubclass 类

  • 看MNSubclass 是否有 superclassInstanceMethod 方法的实现,发现没有,MNSubclass 沿着 superclass 指针找到他的父类 - MNSuperclass

  • 此时,MNSuperclass 中找到 superclassInstanceMethod 的实现,调用它,整个流程结束

image.png

[MNSubclass superClassMethod];

问: 子类调用父类的类方法,执行的流程是如何的?

思路:

  • 类方法存在meta-class中

  • 第一步,找到对应的MNSubclass,沿着isa指针,找到其对应的meta-class

  • 看MNSubclass 的 meta-class 中是否有 superClassMethod 方法的实现,发现没有,沿着 superclass 指针找到 MNSuperclass 的 meta-class

  • 发现 MNSuperclass 的 meta-class 有superClassMethod 方法实现,调用,流程结束

image.png

图中比较难理解的一根线

image.png

探究 : 元类对象的superclass 指针是否指向 rootclass

分析:

  • meta-class 对象存储的是类方法,class 存储的是 对象方法

  • 从面向对象的角度来讲,一个类调用一个类方法,不应该最后调用到 对象方法

  • 这里的Root class 就是 NSObject, 要给 NSObject 添加方法就要用到 分类

  • 验证 NSObject 的对象方法是否会被调用

//"NSObject+MNTest"类的声明 && 实现

@interface NSObject (MNTest)

+ (void)checkSuperclass;

@end

@implementation NSObject (MNTest)

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

@end

//main函数中调用
int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool
    {
        [MNSubclass checkSuperclass];
        NSLog(@"MNSubclass = %p",[MNSubclass class]);
    }
    
    return 0;
}

--------------------------------------------------------
控制台输出:
+NSObject checkSuperclass - 0x105817040
InterView-obj-isa-class[36303:7016608] MNSubclass = 0x105817040
  1. 发现,调用checkSuperclass 类方法的,是MNSubclass类

  2. 这时候要验证上面那条 meta-class 指向 root-class的线, 这里的root-class 即等于 NSObject

  3. root-class中只存对象方法,这里,只要验证,NSObject 中同名的类方法实现取消,变成同名的对象方法测试,即可得出结论

  4. 声明的还是+ (void)checkSuperclass,实现的方法用 - (void)checkSuperclass对象方法替换

@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函数中调用
int main(int argc, char * argv[]) {
    @autoreleasepool
    {
        [MNSubclass checkSuperclass];
        NSLog(@"MNSubclass = %p",[MNSubclass class]);
    }
    
    return 0;
}

--------------------------------------------------------
控制台输出:
-NSObject checkSuperclass - 0x101239040
InterView-obj-isa-class[36391:7022301] MNSubclass = 0x101239040

发现 - 调用的还是类方法 + (void)checkSuperclass ,但是最终实现的,却是对象方法 - (void)checkSuperclass

原因:

  • [MNSubclass checkSuperclass] 其实本质上,调用的是发送消息方法,函数类似是objc_msgsend([MNSubclass class], @selector(checkSuperclass))

  • 这里的@selector(checkSuperclass) 并未说明是 类方法 or 对象方法

  • 所以最终走流程图的话,root-meta-class通过isa找到了root-class (NSObject),

  • NSObject 类不是元类,存储的是对象方法,所以 最终调用了NSObject -checkSuperclass这个对象方法

image.png

叮叮叮!循循循序渐进之面试题叒来了!!

@implementation MNSubclass

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

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

问: [self class] && [super class] 分别输出什么

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

思路:

  • class 方法 是NSObject 的一个对象方法,对方方法存在 class 中

  • 第一步,先找到 subclass对象,通过 isa 指针,找到其对应的 MNSubclass 类

  • 看MNSubclass 是否有 class 方法的实现,发现没有,MNSubclass 沿着 superclass 指针找到他的父类 - MNSuperclass

  • 查询MNSuperclass 中是否有 class 方法的实现,发现没有,MNSuperclass 沿着 superclass 指针找到他的父类 - NSObject

  • 最终在 NSObject 中找到 class 的实现

  • 而调用方都是都是当前对象,所以最后输出都是 - MNSubclass

验证:

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

----------------------------------------------------------------------
控制台输出:
InterView-obj-isa-class[36796:7048007] self class = MNSubclass
InterView-obj-isa-class[36796:7048007] super class = MNSubclass

感谢小码哥 的精彩演出,文章中如果有说错的地方,欢迎提出,一起学习~

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