面试驱动技术之 - isa && 元类 && 函数调用

Myth丶恋晨 2024-04-17 22:22 37阅读 0赞

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## 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

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*  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][opensource]

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

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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！

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*哈哈！中计了！*

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原理解释：

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> 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

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哈哈哈哈！ 又中计了！

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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?

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[ios内存分配源码][ios]

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！

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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
     *  。。。

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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

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指向图.png

(图片来自于 [http://www.sealiesoftware.com/blog/archive/2009/04/14/objc\_explain\_Classes\_and\_metaclasses.html][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

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问: 子类调用父类的类方法，执行的流程是如何的？

`[MNSubclass superClassMethod];`

*  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

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图中比较难理解的一根线

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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`super class`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

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image-20190326212536530

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 compareSelfWithSuperclass];

*  问: `[self class]` && `[super class]` 分别输出什么
 *  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][Link 1] 的精彩演出，文章中如果有说错的地方，欢迎提出，一起学习~

[demo][]

*欢迎点赞fork~*

--------------------

友情客串：

[小码哥][Link 1]

[神经病院runtime入学考试][runtime]

[gun][]

[libmalloc][ios]

[objc4][]

[sealiesoftware.com][http_www.sealiesoftware.com_blog_archive_2009_04_14_objc_explain_Classes_and_metaclasses.html]

[format_png]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy80NTYzMjcxLTUwMDMxOTJkOWRhMWQzYjk_aW1hZ2VNb2dyMi9hdXRvLW9yaWVudC9zdHJpcHxpbWFnZVZpZXcyLzIvdy82MDAvZm9ybWF0L3dlYnA?x-oss-process=image/format,png
[format_png 1]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy80NTYzMjcxLWRlODBmNDljZDc2YWQ2YTM_aW1hZ2VNb2dyMi9hdXRvLW9yaWVudC9zdHJpcHxpbWFnZVZpZXcyLzIvdy8xMjAwL2Zvcm1hdC93ZWJw?x-oss-process=image/format,png
[opensource]: https://links.jianshu.com/go?to=https%3A%2F%2Fopensource.apple.com%2Ftarballs%2F
[format_png 2]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy80NTYzMjcxLWU2YzBmYWMzZTYxZDJmOTc_aW1hZ2VNb2dyMi9hdXRvLW9yaWVudC9zdHJpcHxpbWFnZVZpZXcyLzIvdy83MzgvZm9ybWF0L3dlYnA?x-oss-process=image/format,png
[format_png 3]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy80NTYzMjcxLWZiNzAyN2I5MjU0YzcyYjI_aW1hZ2VNb2dyMi9hdXRvLW9yaWVudC9zdHJpcHxpbWFnZVZpZXcyLzIvdy8yMTQvZm9ybWF0L3dlYnA?x-oss-process=image/format,png
[format_png 4]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy80NTYzMjcxLTIzZjU4NmY3NzNiNTdjZDU_aW1hZ2VNb2dyMi9hdXRvLW9yaWVudC9zdHJpcHxpbWFnZVZpZXcyLzIvdy8xMjAwL2Zvcm1hdC93ZWJw?x-oss-process=image/format,png
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