iOS开发中的对象系统基础

[0] Outline

-- [1] id和Class

-- [2] 动态地操作类

-- [3] 实例化

[1] id和Class

在Objective-C中有一个特别的数据类型作为对象标识符：id，可以指向任何类型的对象。

通过 “可以指向任何类型的对象” 这一描述，猜想id实际上是指向Objective-C对象系统中的基类（继承体系中的祖先结构）的指针，在运行时是指向对象内存布局的基类部分。

第一眼看到id数据类型，我联想到了Python中的PyObject结构：

typedef struct _object {
    int ob_refcnt;
    struct _typeobject *ob_type;
} PyObject;

该数据类型也是Python对象系统中的祖先类型，不过与id相对应的应该是PyObject *类型。

id数据类型是一个指向struct objc_object结构的指针：

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object {
    Class isa;
} *id;

更确切地说，id是指向Class类型的指针，而Class又是指向struct objc_class结构的指针：

struct objc_class {
     struct objc_class *isa;

     struct objc_class *super_class;
     const char *name;
     long version;
     long info;
     long instance_size;
     struct objc_ivar_list *ivars;
     struct objc_method_list **methodLists;
     struct objc_cache *cache;
     struct objc_protocol_list *protocols;
};

至此，可以看到Objective-C对象系统的基石：struct objc_class结构：

     isa指针：指向该对象所属类型的类型对象（Class Object）。在Objective-C中，类也是用对象来表示的，而类的isa指针指向它的metaclass（存储静态成员变量和类方法）。
     super_class指针：指向父类。
     name：类名称。
     version：类的版本信息。
     info：运行期使用的标志位，比如0x1（CLS_CLASS）表示该类为普通class，0x2（CLS_META）表示该类为     metaclass。
     instance_size：实例大小，即内存所占空间。
     ivars：指向成员变量列表的指针。
     methodLists：根据标志位的不同可能指向不同，比如可能指向实例方法列表，或者指向类方法列表。
     cache：因为Objective-C的消息转发需要查找dispatch table甚至可能需要遍历继承体系，所以缓存最近使用的方法。
     protocols：类需要遵守的协议。

[2] 动态地操作类

由上知道了类也是一种对象，那么类对象也有一种类型，这种类型就是类的metaclass，因此类方法其实就是metaclass的成员方法，类和metaclass是配套出现的。

那么metaclass的isa指针和super_class指针怎么指向的呢？

如果metaclass对应基类，那么它的isa指向自身、super_class指针指向对应的类（基类）；如果不是则isa指针指向基类的metaclass、super_class指针指向父类的metaclass。

基类的isa指针为nil。

这不禁让我又想起了Python中类似的设计思想，比如整型数字2的类型是PyIntObject，而PyIntObject类的类型是PyTypeObject，PyTypeObject的类型是PyTypeObject。最终止于此。

同样地，Python中也有metaclass的存在。

知道了类的表示结构，我们可以动态地对类进行操作，加深理解。

//
//  main.m
//  HelloOC
//
//  Created by Jason Lee on 12-2-17.
//  Copyright (c) 2012年 XXX. All rights reserved.
//

#import <Foundation/Foundation.h>

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

void selfIntro(idself, SEL_cmd);

int main (int argc, constchar * argv[])
{

    @autoreleasepool {
        //Create class & metaclass as a pair
        Class demoClass = objc_allocateClassPair([NSObjectclass], "NSDemo", 0);

        BOOL isOk = NO;

        //"v@:" indicates the function type : v - void, @ - object, : - SEL
        //向methodLists指向添加数据
        isOk = class_addMethod(demoClass, @selector(intro), (IMP)&selfIntro, "v@:");
        isOk == YES ? nil : NSLog(@"failed on class_addMethod\n");

        //向ivars指向添加数据
        isOk = class_addIvar(demoClass,"myVar", sizeof(id), log2(sizeof(id)), "@");
        isOk == YES ? nil : NSLog(@"failed on class_addIvar\n");

        objc_registerClassPair(demoClass);

        id demo = class_createInstance(demoClass, 0);

        if ([demo respondsToSelector:@selector(intro)]) {
            [demo performSelector:@selector(intro)];
        }

        object_setInstanceVariable(demo, "myVar", nil);
        void *outValue = (void *)0x1;
        object_getInstanceVariable(demo, "myVar", &outValue);
        if (nil == outValue) {
            NSLog(@"Hello,nil\n");  //printed
        }

        object_dispose(demo);
    }

    return0;
}

void selfIntro(idself, SEL_cmd) {
    NSLog(@"selfIntro\n");

    Class isa = self->isa;  //At first, isa is class NSDemo
    while (1) {
        if (isa == isa->isa) {  //Finally, NSObject's metaclass points to itself
            NSLog(@"%p, %@", isa, objc_getMetaClass(class_getName([isa class])));
            break;
        }

        NSLog(@"%p, %@", isa, objc_getMetaClass(class_getName([isa class])));
        isa = isa->isa; //Then, isa is assigned to NSDemo's metaclass
    }
}

[3] 实例化

要实例化出一个对象，需要根据类的定义来进行。类的定义包括类名称、数据和操作数据的方法。

编译过程，类的信息会被记录下来，供runtime system使用，同时编译器会为每个类创建唯一的一个对象来表示它：class object。如果从功能上说，class object也是factory object，它能够执行类方法，负责创建实例。

从这个角度来看，我在思考class object是否就是metaclass，但是不能确认。

Apple官方文档TOCPL中Class Objects一章有这么一句，“a class object keeps the prototype of a class instance”，但metaclass并不能作为实例原型。

于是我认为class object是运行时class和metaclass结合起来的受限表现，能够访问编译器捕捉下来的类信息，没有成员变量，不能调用成员方法，但是可以执行类方法。

从源码层次来看，class object是由类名来表示，比如下述代码中：