Objective-C运行时机制中的类与对象内部结构

类的本质

在 Objective-C 中，类是对象的抽象模板，它定义了对象所具有的属性和行为。从运行时的角度来看，类的本质是一个 objc_class 结构体。在 objc/runtime.h 头文件中，objc_class 结构体的定义大致如下：

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // 方法缓存
    class_data_bits_t bits;    // 类的数据，包括属性、方法列表等

    // 省略一些其它方法和属性
};

1. ISA指针：在 objc_object 结构体中，ISA 指针是对象指向其类的关键。对于类对象来说，ISA 指针指向元类（meta - class），这在后续会详细讲解。
2. superclass：指向该类的父类，如果该类是根类（如 NSObject），则 superclass 为 nil。通过 superclass，类可以继承父类的属性和方法，实现多态和代码复用。
3. cache：方法缓存是一个重要的优化机制。当一个对象调用某个方法时，运行时系统首先会在这个缓存中查找，如果找到则直接调用，提高了方法调用的效率。缓存的结构是一个哈希表，以方法选择器（SEL）作为键，以对应的方法实现（IMP）作为值。
4. bits：class_data_bits_t 类型的 bits 包含了类的许多重要信息，如属性列表、方法列表、协议列表等。通过 bits，运行时系统可以获取类的详细结构信息。

对象的本质

对象是类的实例，在 Objective-C 中，对象本质上是一个结构体 objc_object，其定义如下：

struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

可以看到，objc_object 结构体只有一个成员变量 isa，这个 isa 指针指向对象所属的类。通过 isa 指针，对象可以找到其类的定义，从而获取类中定义的属性和方法。例如，当我们创建一个 NSString 对象时：

NSString *str = @"Hello, World!";

str 本质上就是一个 objc_object 结构体，其 isa 指针指向 NSString 类。当我们调用 str 的方法，如 length 方法时，运行时系统会通过 isa 指针找到 NSString 类，然后在类的方法列表中查找 length 方法的实现。

类与对象的内存布局

1. 对象的内存布局：对象的内存布局主要由其类定义的属性决定。每个对象在内存中占据一定的空间，其大小至少为 isa 指针的大小（在 64 位系统中为 8 字节）加上所有属性的大小之和。例如，定义一个简单的类：

@interface Person : NSObject {
    NSString *name;
    NSInteger age;
}
@end

@implementation Person
@end

在 64 位系统中，NSString 指针大小为 8 字节，NSInteger 大小也为 8 字节，再加上 isa 指针的 8 字节，一个 Person 对象的大小至少为 8 + 8 + 8 = 24 字节。实际大小可能会因为内存对齐的原因而有所不同。

2. 类的内存布局：类的内存布局相对复杂，除了前面提到的 superclass、cache 和 bits 外，还涉及到类的元数据。类的元数据包括类的属性列表、方法列表、协议列表等。这些信息在运行时用于动态绑定方法、属性访问等操作。

类与对象的关系深入剖析

1. 类对象与实例对象：类本身也是一个对象，称为类对象。每个类只有一个类对象，而通过类可以创建多个实例对象。例如，NSString 类是一个类对象，而通过 NSString 类创建的多个字符串对象就是实例对象。类对象存储了类级别的信息，如类方法，而实例对象存储了实例级别的信息，如实例变量。
2. 元类：元类是类对象的类，它存储了类方法。每个类都有一个对应的元类。元类的 isa 指针指向根元类，根元类的 isa 指针指向自身。例如，对于 NSObject 类，其元类存储了 +alloc、+init 等类方法。当我们调用 [NSObject alloc] 时，运行时系统通过 NSObject 类对象的 isa 指针找到其元类，然后在元类的方法列表中查找 alloc 方法的实现。

代码示例：探究类与对象的内部结构

1. 获取类的信息：通过运行时函数，我们可以获取类的各种信息，如属性列表、方法列表等。以下是一个获取类属性列表的示例：

#import <objc/runtime.h>
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface Person : NSObject {
    NSString *name;
    NSInteger age;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@property (nonatomic, assign) NSInteger age;
@end

@implementation Person
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        unsigned int count;
        objc_property_t *properties = class_copyPropertyList([Person class], &count);
        for (unsigned int i = 0; i < count; i++) {
            objc_property_t property = properties[i];
            const char *propertyName = property_getName(property);
            NSLog(@"Property Name: %s", propertyName);
        }
        free(properties);
    }
    return 0;
}

在上述代码中，class_copyPropertyList 函数用于获取类的属性列表，property_getName 函数用于获取属性的名称。运行该代码，可以看到输出 Person 类的属性名称。

2. 方法缓存的验证：为了验证方法缓存的存在和作用，我们可以通过多次调用同一个方法，并观察调用时间。如果方法缓存起作用，后续调用同一个方法的时间应该会明显缩短。

#import <objc/runtime.h>
#import <Foundation/Foundation.h>
#import <mach/mach_time.h>

@interface Calculator : NSObject
- (NSInteger)add:(NSInteger)a b:(NSInteger)b;
@end

@implementation Calculator
- (NSInteger)add:(NSInteger)a b:(NSInteger)b {
    return a + b;
}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Calculator *calc = [[Calculator alloc] init];
        uint64_t startTime = mach_absolute_time();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            [calc add:1 b:2];
        }
        uint64_t endTime = mach_absolute_time();
        uint64_t duration1 = endTime - startTime;

        startTime = mach_absolute_time();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            [calc add:1 b:2];
        }
        endTime = mach_absolute_time();
        uint64_t duration2 = endTime - startTime;

        NSLog(@"First call duration: %llu", (unsigned long long)duration1);
        NSLog(@"Second call duration: %llu", (unsigned long long)duration2);
    }
    return 0;
}

在上述代码中，通过 mach_absolute_time 函数记录方法调用的时间。可以发现，第二次调用的时间会比第一次短，这证明了方法缓存的优化作用。

类与对象内部结构对内存管理的影响

1. 对象的内存分配：当我们通过 alloc 方法创建一个对象时，运行时系统会根据类的定义为对象分配内存。内存大小包括 isa 指针和所有实例变量的大小。例如，对于 Person 类的对象，内存分配会考虑 isa 指针、name 和 age 变量的大小。
2. 对象的内存释放：当对象不再被使用时，需要释放其占用的内存。在 ARC（自动引用计数）环境下，运行时系统会根据对象的引用计数自动管理内存。当引用计数为 0 时，对象的内存会被释放。而在 MRC（手动引用计数）环境下，开发者需要手动调用 release 方法来减少对象的引用计数，当引用计数为 0 时，对象内存同样会被释放。了解类与对象的内部结构有助于我们更好地理解内存管理的原理，避免内存泄漏等问题。

类与对象内部结构在消息传递中的作用

1. 消息传递流程：在 Objective-C 中，方法调用本质上是消息传递。当一个对象接收到一个消息时，运行时系统首先通过对象的 isa 指针找到其类，然后在类的方法缓存中查找对应的方法实现。如果缓存中没有找到，则在类的方法列表中查找。如果类中没有找到，则通过 superclass 指针在父类中查找，直到找到方法实现或到达根类。
2. 动态方法解析：如果在方法列表中没有找到对应的方法实现，运行时系统会启动动态方法解析机制。在这个机制中，运行时会给类一次机会，让类动态地添加方法实现。例如，我们可以通过 class_addMethod 函数在运行时为类添加方法。这一过程依赖于类的内部结构，如方法列表的可扩展性。

类与对象内部结构的拓展 - 关联对象

1. 关联对象的原理：在 Objective-C 中，我们可以通过关联对象为对象动态添加属性。关联对象的实现依赖于运行时系统的一些函数，如 objc_setAssociatedObject 和 objc_getAssociatedObject。从内部结构来看，关联对象并没有直接存储在对象的内存空间中，而是通过一个全局的哈希表来管理。这个哈希表以对象的 isa 指针和关联的键作为键，以关联的值作为值。
2. 代码示例：

#import <objc/runtime.h>
#import <Foundation/Foundation.h>

@interface MyClass : NSObject
@end

@implementation MyClass
@end

static char associatedKey;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        MyClass *obj = [[MyClass alloc] init];
        NSString *value = @"Associated Value";
        objc_setAssociatedObject(obj, &associatedKey, value, OBJC_ASSOCIATION_COPY_NONATOMIC);
        NSString *retrievedValue = objc_getAssociatedObject(obj, &associatedKey);
        NSLog(@"Retrieved Value: %@", retrievedValue);
    }
    return 0;
}

在上述代码中，通过 objc_setAssociatedObject 为 MyClass 对象添加了一个关联对象，通过 objc_getAssociatedObject 获取关联对象的值。关联对象的实现利用了类与对象的 isa 指针等内部结构信息，为对象的属性扩展提供了一种灵活的方式。

类与对象内部结构在分类和协议中的应用

1. 分类：分类是 Objective-C 中一种为现有类添加方法的机制。分类在运行时会将其方法列表合并到类的方法列表中。由于类的方法列表是可扩展的，这使得分类的实现成为可能。例如，我们可以为 NSString 类创建一个分类，添加一个新的方法：

@interface NSString (MyCategory)
- (NSString *)reverseString;
@end

@implementation NSString (MyCategory)
- (NSString *)reverseString {
    NSMutableString *reversed = [NSMutableString stringWithCapacity:self.length];
    [self enumerateSubstringsInRange:NSMakeRange(0, self.length) options:NSStringEnumerationReverse usingBlock:^(NSString *substring, NSRange substringRange, NSRange enclosingRange, BOOL *stop) {
        [reversed appendString:substring];
    }];
    return [NSString stringWithString:reversed];
}
@end

2. 协议：协议定义了一组方法的声明，类通过遵守协议来表明其支持这些方法。从运行时角度看，类的内部结构中的协议列表记录了类所遵守的协议。当我们检查一个对象是否遵守某个协议时，运行时系统会在类的协议列表中查找。例如：

@protocol MyProtocol <NSObject>
- (void)myMethod;
@end

@interface MyClass : NSObject <MyProtocol>
@end

@implementation MyClass
- (void)myMethod {
    NSLog(@"My Method");
}
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        MyClass *obj = [[MyClass alloc] init];
        if ([obj conformsToProtocol:@protocol(MyProtocol)]) {
            NSLog(@"Object conforms to MyProtocol");
        }
    }
    return 0;
}

在上述代码中，conformsToProtocol 方法通过类的协议列表来判断对象是否遵守指定的协议。

类与对象内部结构在runtime编程中的实际应用场景

1. 框架开发：在开发框架时，深入了解类与对象的内部结构可以帮助开发者实现更高效、更灵活的功能。例如，在实现一个类似于依赖注入的功能时，可以通过运行时获取类的属性列表，动态地为对象注入依赖。
2. 性能优化：通过对方法缓存的理解，我们可以优化方法调用的性能。例如，在一些性能敏感的代码中，可以尽量避免频繁替换类的方法列表，以免影响方法缓存的命中率。同时，对于一些频繁调用的方法，可以考虑提前将其缓存到对象的方法缓存中，以提高调用效率。
3. 代码调试与分析：了解类与对象的内部结构有助于我们进行代码调试和分析。当出现一些难以定位的问题，如方法未找到或内存泄漏时，通过运行时函数获取类与对象的详细信息，可以帮助我们快速定位问题。例如，通过 class_getInstanceSize 函数获取对象的实际大小，有助于分析内存占用情况。

类与对象内部结构的演进与未来发展

随着 iOS 和 macOS 系统的不断发展，Objective-C 的运行时机制也在不断演进。一方面，为了提高性能和安全性，运行时系统可能会对类与对象的内部结构进行优化。例如，可能会进一步改进方法缓存的结构和算法，以提高方法查找的效率。另一方面，随着新的编程范式和需求的出现，类与对象的内部结构可能会增加新的特性。例如，可能会引入更灵活的属性存储和访问方式，以支持一些新兴的编程场景。

同时，随着 Swift 语言的发展，虽然 Swift 与 Objective-C 有不同的运行时机制，但 Objective-C 的运行时机制中的一些概念，如类与对象的关系、消息传递等，仍然对 Swift 的设计和实现产生了影响。未来，Objective-C 的运行时机制可能会与 Swift 的运行时机制在某些方面进行融合和互补，为开发者提供更强大的编程能力。

总之，深入理解 Objective-C 运行时机制中的类与对象内部结构，不仅有助于我们更好地掌握这门语言，还能为我们在实际开发中解决各种问题、优化代码性能提供有力的支持。无论是在传统的 iOS 和 macOS 应用开发中，还是在新兴的跨平台开发等领域，对类与对象内部结构的理解都具有重要的价值。