『底层探索』5 - 「类和方法」的归属问题

本文主要探索的是类的归属和方法的归属问题。

今天探索下类的归属和方法的归属。在 Objective-C 中，对于某个对象，

• 可以用 class 方法来获取这个对象所属的类
• 可以用 isKindOfClass 方法来判断是否是某类的子类
• 可以用 isMemberOfClass 方法来判断是否是某类的实例

对于某个类，

• 可以用 class_getInstanceMethod 来查找是否存在某个实例方法
• 可以用 class_getClassMethod 来查找是否存在某个类方法

接下来将会探索以上提到的这些方法的底层实现。

RDTeacher

首先声明一个继承于 NSObject 的 RDTeacher 类, 它:

• 实现了一个 sayStandUp 的类方法
• 实现了一个 sayByebye 的实例方法

完整代码如下。

@interface RDTeacher : NSObject

+ (void)sayStandUp;
- (void)sayByebye;
 
@end

@implementation RDTeacher

+ (void)sayStandUp {
    NSLog(@"Stand up");
}

- (void)sayByebye {
    NSLog(@"Good bye");
}

@end

class

首先探索 class 方法，看看下面的 testClass 方法，你觉得 cls0 和 cls1 的地址会相同么？那么 cls2 和 cls3 呢？记住你此时的答案。

void testClass() {
    RDTeacher *person = [[RDTeacher alloc] init];
    Class cls0 = [person class];
    Class cls1 = [RDTeacher class];
    NSLog(@"%p -- %p", cls0, cls1);  // objc_opt_class
    
    NSObject *object = [[NSObject alloc] init];
    Class cls2 = [object class];
    Class cls3 = [NSObject class];
    NSLog(@"%p -- %p", cls2, cls3);
}

看看打印的结果是啥？

0x100003550 -- 0x100003550
0x100335140 -- 0x100335140

有没有出乎你的意外，为什么实例对象和类对象的 class 是一样的呢。在调用 class 的地方打个断点，运行到断点处。然后打开 Xcode -> Debug -> Debug workflow -> Always Show Disassembly 后，编辑区的代码会变成汇编形式的。我们会发现调用 class 方法实际在底层调用的是 objc_opt_class 方法。

接下来在包含 objc 781 源码的 HelloWorld 工程中全局搜索 objc_opt_class 关键词，会找到如下的源码。可编译的 HelloWorld 工程在这里下载 objc-runtime。

// Calls [obj class]
Class
objc_opt_class(id obj)
{
#if __OBJC2__
    if (slowpath(!obj)) return nil;
    Class cls = obj->getIsa();
    if (fastpath(!cls->hasCustomCore())) {
        return cls->isMetaClass() ? obj : cls;
    }
#endif
    return ((Class(*)(id, SEL))objc_msgSend)(obj, @selector(class));
}

可以看出，在 __OBJC2__ 中主要是通过 getIsa() 获取对象所属的 class，然后根据所属 cls 是否是 meta class 返回不同的 class。 如果是元类，则返回类对象本身，否则返回该对象所属的类。

为什么要这么设计呢？当你看到本文最后的 isa 走向图，你就会恍然大悟的，暂时先记着这个逻辑。

class_getInstanceMethod

下面代码块创建了一个 RDTeacher 类型的对象 t，然后得到对象 t 的类 cls 和元类 metaCls。我们分别在这两个 class 中查找 sayByebye 实例方法和查找 sayStandUp 对象方法，猜猜能找到么？

void testGetMethod() {
    RDTeacher *t = [[RDTeacher alloc] init];
    Class cls = [t class];
    
    const char* className = class_getName(cls);
    Class metaCls = objc_getMetaClass(className);
    
    Method method0 = class_getInstanceMethod(cls, @selector(sayByebye));
    Method method1 = class_getInstanceMethod(metaCls, @selector(sayByebye));
    NSLog(@"getInstanceMethod --> %p %p \n", method0, method1);  // yes no
    
    Method method2 = class_getClassMethod(cls, @selector(sayStandUp));
    Method method3 = class_getClassMethod(metaCls, @selector(sayStandUp));
    NSLog(@"getClassMethod --> %p %p \n", method2, method3);     // yes yes
}

根据方法的功能定义分析，method0 能找到，method1 找不到。method2 能找到，method3 找不到。看看打印结果是否和我们的分析一致。

getInstanceMethod --> 0x100003118 0x0
getClassMethod --> 0x100003098 0x100003098

为什么 method3 能找到，也就是说，class_getClassMethod 不管传入的是类还是元类，都能查找到类方法。

这是为什么呢？看看 class_getInstanceMethod 源码是怎么实现的。

Method class_getInstanceMethod(Class cls, SEL sel)
{
    if (!cls  ||  !sel) return nil;
    lookUpImpOrForward(nil, sel, cls, LOOKUP_RESOLVER);
    return _class_getMethod(cls, sel);
}

方法首先是判断了 cls 和 sel 是否是 nil，非 nil 后，走了消息查找和转发流程。最后调用了 _class_getMethod。看看这个方法是怎么实现的？

static Method _class_getMethod(Class cls, SEL sel)
{
    mutex_locker_t lock(runtimeLock);
    return getMethod_nolock(cls, sel);
}

这个方法接着调用了 getMethod_nolock，继续探索。

static method_t *
getMethod_nolock(Class cls, SEL sel)
{
    method_t *m = nil;

    runtimeLock.assertLocked();

    ASSERT(cls->isRealized());

    while (cls  &&  ((m = getMethodNoSuper_nolock(cls, sel))) == nil) {
        cls = cls->superclass;
    }

    return m;
}

这个方法是在所属类的 superclass 继承链上循环调用 getMethodNoSuper_nolock 方法查找 method。

该方法的实现如下，关于方法查找的细节流程，在后续的文章会有介绍，这里就不深入了。

static method_t *
getMethodNoSuper_nolock(Class cls, SEL sel)
{
    runtimeLock.assertLocked();

    ASSERT(cls->isRealized());
    auto const methods = cls->data()->methods();
    for (auto mlists = methods.beginLists(),
              end = methods.endLists();
         mlists != end;
         ++mlists)
    {
        method_t *m = search_method_list_inline(*mlists, sel);
        if (m) return m;
    }

    return nil;
}

class_getClassMethod

我们看看 class_getClassMethod 方法是如何实现的。细节往往藏在源码之中。

Method class_getClassMethod(Class cls, SEL sel)
{
    if (!cls  ||  !sel) return nil;
    return class_getInstanceMethod(cls->getMeta(), sel);
}

class_getClassMethod 的实现比较巧妙，寻找类的类方法，相当于寻找元类的实例方法。因为对象所属的类是类，类对象所属的类是元类。再看看 getMeta() 方法做了啥？

Class getMeta() {
    if (isMetaClass()) return (Class)this;
    else return this->ISA();
}

如果类是元类返回本身，否则返回所属的类。 根据这个逻辑，对类对象和该对象所属的元类查找相同的类方法，底层调用逻辑是一样的，都是在元类中查找对象方法。 所以 method3 也能找到类方法的原因水落石出了。

isKindOfClass

isKindOfClass 用于判断一个对象的类是否是某个类的子类。看看下面的打印结果是否如你所想的一样。首先看看 isKindOfClass 底层实现。

// Calls [obj isKindOfClass]
BOOL
objc_opt_isKindOfClass(id obj, Class otherClass)
{
#if __OBJC2__
    if (slowpath(!obj)) return NO;
    Class cls = obj->getIsa();
    if (fastpath(!cls->hasCustomCore())) {
        for (Class tcls = cls; tcls; tcls = tcls->superclass) {
            if (tcls == otherClass) return YES;
        }
        return NO;
    }
#endif
    return ((BOOL(*)(id, SEL, Class))objc_msgSend)(obj, @selector(isKindOfClass:), otherClass);
}

该方法的核心逻辑是通过 getIsa 找到该对象所属的类，然后在该类的 superclass 继承链上寻找是否有类等于指定的类。

void testKindOf() {
    BOOL res0 = [(id)[NSObject class] isKindOfClass:[NSObject class]];
    BOOL res1 = [(id)[RDTeacher class] isKindOfClass:[RDTeacher class]];
    // 1 0
    
    BOOL res2 = [(id)[NSObject alloc] isKindOfClass:[NSObject class]];
    BOOL res3 = [(id)[RDTeacher alloc] isKindOfClass:[RDTeacher class]];
    // 1 1
    NSLog(@"%d %d %d %d", res0, res1, res2, res3);
}

以上的代码的打印结果是 1 0 1 1, 为什么会是这个结果呢？请看下面的分析：

• 对于 res0，[NSObject class] 得到的是 NSObject 类，类对象 getIsa 得到的是 NSObject 根元类，根元类的 superclass 是 NSObject 类，在根元类的 superclass 继承链上可以找到 NSObject 类。 所以得到的结果是 1。

• 对于 res1，[RDTeacher class] 得到的是 RDTeacher 类，类对象 getIsa 得到的是 RDTeacher 根元类，在 RDTeacher 根元类的 superclass 继承链上找不到 RDTeacher 类。所以得到的结果是 0。

• 对于 res3，[NSObject alloc] 得到的是 NSObject 对象，对象 getIsa 得到的是 NSObject 类，NSObject 类的 superclass 继承链上可以找到 NSObject 类。 所以得到的结果是 1。

• 对于 res4，[RDTeacher alloc] 得到的是 RDTeacher 对象，对象 getIsa 得到的是 RDTeacher 类，在 RDTeacher 类的 superclass 继承链上可以找到 RDTeacher 类。所以得到的结果是 1。

isMemberOfClass

isMemberOfClass 用于判断一个对象是否是某个类的实例。看看 isMemberOfClass 底层实现。

+ (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return self->ISA() == cls;
}

- (BOOL)isMemberOfClass:(Class)cls {
    return [self class] == cls;
}

通过源码，我们可以得出该方法的核心逻辑：

• 如果是类对象，则判断类对象 isa 指向的类是否和指定类相同。
• 如果是对象，则判断对象所属的类是否和指定类相同。

看看下面的代码打印结果是否如你所想的一样？

void testMemberOf() {
    BOOL res4 = [(id)[NSObject class] isMemberOfClass:[NSObject class]];
    BOOL res5 = [(id)[RDTeacher class] isMemberOfClass:[RDTeacher class]];
    // 0 0
       
    BOOL res6 = [(id)[NSObject alloc] isMemberOfClass:[NSObject class]];
    BOOL res7 = [(id)[RDTeacher alloc] isMemberOfClass:[RDTeacher class]];
    // 1 1
       
    NSLog(@"%d %d %d %d", res4, res5, res6, res7);
}

以上的代码的打印结果是 0 0 1 1, 为什么会是这个结果呢？请看下面的分析：

• 对于 res4，[NSObject class] 得到的是 NSObject 类，类对象 ISA() 得到的是 NSObject 根元类，NSObject 根元类 和 NSObject 类 是不同的 ，所以得到的结果是 0。

• 对于 res5，[RDTeacher class] 得到的是 RDTeacher 类，类对象 ISA() 得到的是 RDTeacher 根元类，RDTeacher 根元类 和 RDTeacher 类 是不相同的。所以得到的结果是 0。

• 对于 res6，[NSObject alloc] 得到的是 NSObject 对象，对象 ISA() 得到的是 NSObject 类，NSObject 类 和 NSObject 类 是相同的。 所以得到的结果是 1。

• 对于 res7，[RDTeacher alloc] 得到的是 RDTeacher 对象，对象 ISA() 得到的是 RDTeacher 类，在 RDTeacher 类 和 RDTeacher 类 是相同的。所以得到的结果是 1。

最后附上 Apple 经典的 isa 走位图，如果你能把这张图了然于胸，上面的这些对你来说就是 small cake。

总结

• isKindOfClass 是在对象所属的类的 superclass 继承链上寻找是否有 class 等于给定的 class。这里要注意的是，对象和类对象调用 class 方法得到的都是 「类对象」。
• isMemberOfClass 是判断对象所属的类是否等于给定的 class。
• class_getClassMethod 方法，是通过调用 class_getInstanceMethod 方法实现的，只不过传的参数的类对象所属的元类而已。

后记

我是穆哥，卖码维生的一朵浪花。我们下回见。