OC类的原理（一）
前面两篇文章介绍了OC对象的原理，以及一些分析的思路和方法，今天开始，将开启类的原理探究。
不过在探究类的原理之前，我想补充说明一些东西。
首先来了解下isa指针的定义，如下：
union isa_t {
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
Class cls;
uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
struct {
ISA_BITFIELD; // defined in isa.h
};
#endif
};isa指针分为nonpointer指针和非nonpointer指针。
非nonpointer指针没有经过优化，它里面只通过cls属性存储对应的类的地址；
nonpointer指针是经过优化的，它通过bits存储很多信息。
需要注意的是，cls和bits是互斥的（因为isa是union，而union中元素是互斥的）：非nonpointer指针只使用到cls，而nonpointer指针只使用到bits。
我们前面也讲到，nonpointer的isa指针可以存储很多额外信息，并且其存储信息的内存布局是跟架构有关的，下面这张图可以很形象地将该布局给展示出来：
接下来再来了解下指针和内存平移的概念。
来看这么一段代码：
int c[4] = {1,2,3,4};
int *d = c;
NSLog(@"%p - %p - %p - %p",&c, &c[0], &c[1], &c[2]);
NSLog(@"%p - %p - %p",d,d+1,d+2);
for (int i = 0; i<4; i++) {
int value = *(d+i);
NSLog(@"%d",value);
}打印结果如下：
可以看到，&c和&c[0]的结果是一样的，这说明数组的第一个元素的地址就是该数组的地址。
&c[0]、&c[1]和&c[2]，相邻元素的地址之间相差4个字节，而数组c的元素类型是Int，int类型就是占4个字节，也就是说，数组的相邻元素之间的地址差值就是该数组元素类型的大小。
&c[0]与d、&c[1]与d+1、&c[2]与d+2的地址都是相等的，这是为啥呢？
&c[0]表示的是数组c中第一个元素的地址；而*d表示的是数组c的值，因此d表示的是数组c的地址，也就是数组c中第一个元素的地址。因此&c[0]与d的值是一样的。
而d+1表示的是数组c中第二个元素的地址（即由地址d向后面平移一个元素的大小），d+2表示的是数组c中第三个元素的地址，因此d、d+1、d+2的差值可不是1，而是数组c中元素类型的大小，在这里是4个字节（int类型）。
在d前面加*表示的是取地址d的值，因此*(d+i)表示就是数组c中第i个元素的值。
类的结构分析
类是使用Class来接收，这一点我们在开发中已经非常熟悉了。所以关于类的结构分析，我们就从Class的定义开始。
第一步，就是将OC文件编译成C++，编译完成之后打开对应的cpp文件，可以找到Class的定义，如下：
typedef struct objc_class *Class;我们可以知道，Class是指向objc_class的指针。
那么objc_class是什么呢？我们会找到如下定义：
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache;
class_data_bits_t bits;
......
}我们发现，objc_class是一个继承自objc_object的结构体。我们总说万物皆对象，类也是对象，就是出自于这里。
我们还发现，objc_class中有一个隐藏的Class类型的isa指针。为什么是隐藏的呢？因为isa指针可以从父类objc_object继承而来。
属性&成员变量存储区域探究
@interface LGPerson : NSObject{
NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *nickName;
@end这里我定义了一个LGPerson类，里面有1个属性和1个成员变量。
然后在外界调用，并且打断点。我们在断点处进行分析：
上面我们查看了类LGPerson的内存段。
我们知道，类的结构如下：
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache;
class_data_bits_t bits;
......
}第一个变量是isa指针，第二个变量是superclass指针，他们都是Class类型，而Class的本质是结构体指针（struct objc_class *），因此，它们都是占8个字节（pointer都是占8字节）。
第三个变量是cache_t，它占多少字节的内存呢？我们来研究一下。
cache_t的结构如下：
struct cache_t {
struct bucket_t *_buckets;
mask_t _mask;
mask_t _occupied;
public:
struct bucket_t *buckets();
mask_t mask();
mask_t occupied();
void incrementOccupied();
void setBucketsAndMask(struct bucket_t *newBuckets, mask_t newMask);
void initializeToEmpty();
mask_t capacity();
bool isConstantEmptyCache();
bool canBeFreed();
static size_t bytesForCapacity(uint32_t cap);
static struct bucket_t * endMarker(struct bucket_t *b, uint32_t cap);
void expand();
void reallocate(mask_t oldCapacity, mask_t newCapacity);
struct bucket_t * find(cache_key_t key, id receiver);
static void bad_cache(id receiver, SEL sel, Class isa) __attribute__((noreturn));
};_buckets是一个结构体指针，它占用8个字节。
_mask和_occupied都是mask_t类型，我们接着来看mask_t的定义：
#if __LP64__
typedef uint32_t mask_t; // x86_64 & arm64 asm are less efficient with 16-bits
#else
typedef uint16_t mask_t;
#endif我们现在知道了，mask_t实际上是uint32_t，而Int是占4个字节。
在cache_t中，前三个变量占用的内存大小是8+4+4=16字节，后面的都是函数，函数是不占用内存的，因此cache_t所占内存大小是16字节。
第四个变量是bits，一看这个名字我们就能知道，它是存储各种信息的，因此我们就需要读到它。
通过前面的分析我们已经知道了，bits前面三个变量占用内存总大小是8+8+16 = 32字节，折算成十六进制是0X20，因此我就需要将LGPerson的类地址0x100002338向右平移32字节，也就是0x100002358。
接下来打印0x100002358
啥都没打印出来。
这里有个小知识点需要说明一下：
po表示打印对象，如果是对象的话可以使用po来打印
如果不是对象，那么就使用p来打印。
我们发现，直接打印0x100002358是打印不出来的。0x100002358是bits的首地址，也就是bits的指针，因此我们需要强转一下，如下：
现在我得到了bits的指针，那么怎么得到bits里面的值呢？
我们再复习一下objc_class的定义：
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache;
class_data_bits_t bits;
class_rw_t *data() {
return bits.data();
}
void setData(class_rw_t *newData) {
bits.setData(newData);
}
......
}此时我们知道，bits中有一个data()函数，因此我们就可以通过下面的方式来获取到bits里面的值：
此时的$7是（class_rw_t *）类型，我们先来看一下class_rw_t的数据结构：
struct class_rw_t {
// Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
uint32_t flags;
uint32_t version;
const class_ro_t *ro;
method_array_t methods;
property_array_t properties;
protocol_array_t protocols;
Class firstSubclass;
Class nextSiblingClass;
char *demangledName;
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
uint32_t index;
#endif
......
};
然后，我们打印*$7，就能打印出对应的class_rw_t了：
现在我们来回想一下我们的问题，我们是要查看LGPerson中声明的一个成员变量和一个属性是存在什么地方。
现在说结论了，虽然下面有properties，但是属性和成员变量没有放在其中，而是存在ro中。
接下来我们就打印ro:
我们看到，ro是（class_ro_t *）类型，所以我们看一下class_ro_t的数据结构：
struct class_ro_t {
uint32_t flags;
uint32_t instanceStart;
uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
uint32_t reserved;
#endif
const uint8_t * ivarLayout;
const char * name;
method_list_t * baseMethodList;
protocol_list_t * baseProtocols;
const ivar_list_t * ivars;
const uint8_t * weakIvarLayout;
property_list_t *baseProperties;
method_list_t *baseMethods() const {
return baseMethodList;
}
};然后我们查看ro的baseProperties：
LGPerson的nickName属性就存放在这里面。
再查看ro的ivars：
LGPerson的hobby变量就存放在这里面。【注意，这里的$5指的是ro】
看到这里，如果你细心的话，你会发现ivars里面的count是2，可是我当初声明的时候明明只声明了一个成员变量hobby啊，这是为啥？原因就在于我需要给属性nickName声明一个内部的成员变量，也就是_nickName：
实例方法的存储位置探究
LGPerson类的定义是这样的：
@interface LGPerson : NSObject{
NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *nickName;
@end此时获取到ro中的baseMethodList：
我们可以看到，baseMethodList中元素的类型是method_t，method_t的结构如下：
struct method_t {
SEL name;
const char *types;
MethodListIMP imp;
...
};
我们注意到，baseMethodList的打印结果中，count是3，这是为什么呢？明明我在LGPerson中没有定义任何方法啊。
其中第一个方法我们也已经看到了，.cxx_destruct是系统默认添加的方法，那么其他两个是什么呢？实际上，其他两个分别是属性nickName的setter和getter方法，如下：
现在我们手动往LGPerson类中添加两个方法：
@interface LGPerson : NSObject{
NSString *hobby;
}
@property (nonatomic, copy) NSString *nickName;
- (void)sayHello;
+ (void)sayHappy;
@end然后再打印ro中的baseMethodList：
我们发现，此时baseMethodList中有四个方法，分别是：sayHello、.cxx_destruct、nickName、setNickName:。
这是我就疑惑了，我自定义的sayHappy方法去哪里了？
此时，想必很多人都已经知道了，sayHappy方法是一个类方法，它存储在元类的baseMethodList里面，接下来就验证一下。
类方法存储区域的探究
x/4gx pClass 是获得类的内存结构，其第一段内存存储的是isa指针。
是打印该类对应的元类的地址
x/4gx 0x0000000100002388 是查看元类的内存结构。
元类的首地址是0x100002388，平移32字节之后是0x1000023a8，进而得到bits，然后强转为class_data_bits_t，然后获取到rw，进而得到ro。
接下来我们查看ro:
最后我们在元类的baseMethodList中找到了sayHappy方法。
这就验证了：实例对象的类方法是存在元类的baseMethodList中。
以上。