Objectivce-C中的meta-class是什么

SilverFruity 3/20/2017 iOSRuntime

原文: What is a meta-class in Objective-C? (opens new window). 本文由原作者授权翻译

在这篇文章中，我着重讲解Objective-C中的一个陌生的概念 - meta-class。Objective-C中的每个类都有一个与之关联的meta-class，但因为你很少直接使用它，它才会对你显得如此神秘。我将从如何使用runtime机制创建一个类说起。通过检查 objc_allocateClassPair 函数创建出的 "class pair" ，我将解释什么是meta-class，也会解释一些普遍存在的问题：在Objective-C中，meta-class 对一个对象或者一个类有着怎样的意义?

# 在程序运行的时候创建一个类

在程序运行的时候,下面的代码创建了一个NSError的子类，并给它添加了一个方法。

Class newClass = objc_allocateClassPair([NSError class], "RuntimeErrorSubclass", 0);
class_addMethod(newClass, @selector(report), (IMP)ReportFunction, "v@:");
objc_registerClassPair(newClass);

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这个被添加的方法使用ReportFunction函数作为它的实现。ReportFunction函数的定义如下:

void ReportFunction(id self, SEL _cmd)
{
    NSLog(@"This object is %p.", self);
    NSLog(@"Class is %@, and super is %@.", [self class], [self superclass]);
    Class currentClass = [self class];
    for (int i = 1; i < 5; i++)
    {
        NSLog(@"Following the isa pointer %d times gives %p", i, currentClass);
        currentClass = object_getClass(currentClass);
    }
    NSLog(@"NSObject's class is %p", [NSObject class]);
    NSLog(@"NSObject's meta class is %p", object_getClass([NSObject class]));
}

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表面上来看,这一切都很简单。

因为在程序运行的时候创建一个类只需要这三个简单的步骤:

为class pair开辟内存空间(使用objc_allocateClassPair).
按照函数所需要,去给类添加方法和成员变量(我已经使用class_addMethod添加了一个方法)
注册这个类,以便能够使用它(使用 objc_registerClassPair).

但是，现在的问题是：什么是class pair? objc_allocateClassPair函数只返回了一个值: 类。那这个class pair的另一半又在哪呢？我相信你已经猜到了:class pair的另一半就是meta-class（它是这篇文章的标题），但我需要向你解释它是什么,为什么你需要它，我将会给出一些Objectivce-C中的类和对象的背景。

# 让一个数据结构变成一个对象，需要些什么?

每一个对象都有一个类，这是面对对象的基本概念，但是在Objectivce-C中，它也是数据的基本组成部分(每个对象都拥有一个指向类结构体的指针)。任何拥有一个指向在正确位置的类的指针的数据结构都可以被视为一个对象。

在Objectivce-C中，一个对象的类被一个isa指针所决定。这个isa指针指向对象的类。

实际上，在Objectivce-C中，一个对象的基础定义是这样的:

typedef struct objc_object {
   Class isa;
} *id;

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👆这个定义说明:任何一个以指向一个Class结构体的指针开始的结构体都能够被视为一个对象。

在Objectivce-C中，对象最重要的功能就是我们能够给它们发送消息:

[@"stringValue" writeToFile:@"/file.txt" atomically:YES encoding:NSUTF8StringEncoding error:NULL];

这段代码之所以会执行,是因为当你向一个OC对象发送一个消息的时候(像这里的NSCFString),runtime机制会沿着对象的isa指针去获取对象的Class(在这里是NSCFString类)。接着,这个Class包含了一个适用于该类的所有对象的方法列表(拥有所有对象方法的列表)和一个指向超类的指针(用于查阅继承的方法)。由于获取到了对象对应的Class,这时,运行时机制会为了找到一个和消息选择器匹配的方法，浏览在Class和superclass上的方法列表(在上述情况下,writeToFile:atomically:encoding:error是在NSString的方法列表上的)。接着,runtime机制会执行这个方法对应的实现函数(IMP)。

重要的一点是: Class定义了你能够发送给对象的消息(对象方法列表)。

# 什么是`meta-Class`?

现在,像你所知道的: 一个Class在Objectivce-C中也是一个对象。这个就意味着你也能够给一个Class发送消息。

NSStringEncoding defaultStringEncoding = [NSString defaultStringEncoding];

在这里,defaultStringEncoding被发送给了NSString类.

这段代码之所以会执行，是因为在Objectivce-C中每一个Class其本质上也是一个对象.这就意味着Class结构体必须是以一个isa指针开始的结构体,以至于它与我上面显示的objc_object结构体是二进制兼容的,并且下一个在结构体中的字段必须是一个指向superclass的指针(或者对于基本类来说就是nil).

像我上周展示的一样 (opens new window),这里有几种不同定义Class的方式,这取决于你所运行的runtime的版本,但是,它们都是以一个isa字段开头,后跟一个superclass字段。

typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class {
    Class isa;
    Class super_class;
    /* followed by runtime specific details... */
};

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但是,为了让我们能在Class上执行一个方法,Class的isa指针必须指向一个Class结构体, 并且这个Class结构体必须包含了能够让我们在类上执行方法的方法列表(类方法列表).

这就引出了meta-class的定义: meta-class是一个Class对象的类.

简而言之:

当你给一个对象发送消息的时候,runtime机制会在对象的类对象的方法列表中查找该消息.
当你给一个类发送消息的时候,runtime机制会在类对象的meta-class的方法列表中查找该消息.

meta-class是必须存在的,因为它为一个Class保存了该类的类方法。对于每一个Class来说,都必须有一个独一无二的meta-class,因为每一个Class都有一个可能独一无二的类方法列表.

# 那`meta-class`的类的是什么呢?

meta-class像之前的Class一样,它也是一个对象.这就意味着你同样能够在它之上执行方法。那它也理所当然的必须属于一个类(isa指针)。

所有的meta-class使用基础类的meta-class(在它们继承体系的顶层的类的meta-class)作为它们的类。这就意味着所有继承自NSObject的类的meta-class的Class(isa指针)是NSObject的meta-class.

遵循这样的规则:所有的meta-class都使用基本类的meta-class作为它们的类(isa指针),任何基本(顶层)的meta-class的Class(isa指针)都将是它们自身(它们的isa始终指向自身).这就意味着NSObject的meta-class的isa指针是指向它自身的(它是它自身的实例).

# `meta-class`和`Class`的继承

相同的是Class使用super_class指针指向其父类Class,meta-class使用自身的super_class指针指向Class的super_class的meta-class。(此处meta-class->super_class = class->super_class->meta-class)

还有个奇葩就是,基类的meta-class(isa)的super_class指向的是基类本身.

这样的继承体系导致的结果就是所有的实例,类和meta-class都继承自基类.

对于所有在NSObject体系下的实例,类和meta-class的来说，NSObject的所有的对象方法对它们来说都是有效的。对于类和meta-class来说,所有的NSObject的类方法是有效的。

# 通过实验证明以上观点

为了证明以上观点,让我们看看我在文章开头给出的ReportFunction函数的输出吧.这个函数的目的是沿着isa指针并且打印它找到的是什么.

为了执行ReportFunction函数,我们需要创建一个动态创建的类的实例并且执行report对象方法.

id instanceOfNewClass = [[newClass alloc] initWithDomain:@"someDomain" code:0 userInfo:nil];
[instanceOfNewClass performSelector:@selector(report)];
//[instanceOfNewClass release];

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因为这里并没有声明report方法,所以我为了编译器不会给出一个警告，使用performSelector:去执行它.

现在ReportFunction将会遍历所有的isa指针并且告诉我们什么对象被用作Class,meta-Class和meta-Class的类

获取一个对象的类: ReportFunction使用object_getClass去得到isa指针,应为isa是类的保护成员(你不能直接的访问其他对象的isa指针).ReportFunction没有使用class方法的原因是: 在一个类对象上执行class方法不会返回meta-Class，它始终都只会返回Class(所以[NSString class]会返回NSString类而不是NSString的meta-class`).

这是NSObject的class对象方法和类方法的实现:

当程序运行的时候,这是它的输出(去掉了NSlog的前缀):

This object is 0x10010c810.
Class is RuntimeErrorSubclass, and super is NSError.
Following the isa pointer 1 times gives 0x10010c600
Following the isa pointer 2 times gives 0x10010c630
Following the isa pointer 3 times gives 0x7fff71038480
Following the isa pointer 4 times gives 0x7fff71038480
NSObject's class is 0x7fff710384a8
NSObject's meta class is 0x7fff71038480

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看着下面通过反复沿着isa指针到达的内存地址:

对象的地址是0x10010c810
类的地址是0x10010c600
meta-class的地址为0x10010c630
meta-class的Class(即NSObject的meta-class)的地址为0x7fff71038480
NSObject的meta-class的Class的地址是它本身的地址

地址的值除了显示了我们之前讨论的从类到meta-class再到NSObject的meta-class的进展以外,其他的都并不重要.

# 结论

meta-class是一个Class对象的类.每一个Class都有一个自己的独特meta-class(因为每个Class有着自己的独特的方法列表).这就意味着所有的Class对象都各不相同.

meta-class总是会确保Class对象拥有在层级的顶层的基类(NSObject)的对象方法和类方法,再加上基类到当前类之前的类的类方法。对于继承自NSObject的类来说,NSObject的对象和协议方法是定义给所有的Class(和meta-class)对象.

✍️ ：在层级顶层的NSObject的meta-class的superclass指针是指向NSObject的类对象的,所以继承自NSObject的类的meta-class中会包含有NSObject所有的对象方法和类方法。

原文:The meta-class will always ensure that the Class object has all the instance and class methods of the base class in the hierarchy, plus all of the class methods in-between. For classes descended from NSObject, this means that all the NSObject instance and protocol methods are defined for all Class (and meta-class) objects.

所有的meta-class都使用基类的meta-class(在NSObject继承体系下,是NSObject的meta-class)作为他们的类,也包括了在运行时机制中唯一自定义的基础级的meta-class.

补充:

iOS类型编码 (opens new window)

id Class meta-class 之间的关系

SilverFruity