OC的isa

#1. isa是什么?

苹果官方给出的isa说明很简单:

A pointer to the class definition of which this object is an instance.

翻译过来就是“一个指向当前实例对象所属的类的指针”。平时我们写代码,其实从来不会直接使用isa这个玩意儿。

从字面意思看,isa就是这是一个,大概设计者是想通过这个指针,直接知道当前的实例到底是个什么东西。首先应该想到的是最基础的NSObject里面去查找isa的定义,

isaNSObject.h头文件里的定义是:

Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

先不管OBJC_ISA_AVAILABILITY(其实就是一个宏定义,告诉编译器这个东西是不能被外部直接使用的)是啥,就看isa,这是一个Class,也就是我们常说的面向对象里的“类”,再进去看Class,发现这是在头文件objc.h里面一个结构体指针:

/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

注释上说:表示指代OC类的非透明的类型。
那点进去看这个结构体:

struct objc_class {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;

#if !__OBJC2__
    Class _Nullable super_class                              OBJC2_UNAVAILABLE;
    const char * _Nonnull name                               OBJC2_UNAVAILABLE;
    long version                                             OBJC2_UNAVAILABLE;
    long info                                                OBJC2_UNAVAILABLE;
    long instance_size                                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_ivar_list * _Nullable ivars                  OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists                    OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_cache * _Nonnull cache                       OBJC2_UNAVAILABLE;
    struct objc_protocol_list * _Nullable protocols          OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif

} OBJC2_UNAVAILABLE;
/* Use `Class` instead of `struct objc_class *` */

结果发现这个结构体的第一行,也有一个isa,而且指定不允许为null。看到这里,忽然想起来C语言里常见的“单链”。

假如有一天去朋友家里玩,见到朋友家里那个不认识的东西,好奇心重的同学就会问,这是什么东西?朋友说,那是一只狗。如果不知道狗是什么,就会接着问,狗是什么?朋友接着回答,简单来讲,狗就是一种动物。。。所以最后的结果就是:狗->动物->东西(物)。那“东西”又是什么呢?“东西(物)”就是“东西(物)”。所以就出现了一个这样的链:

我们说一切都应该是对象,在高中的生物课本上,我记得有一个链式的物种分类:界(Kingdom)、门Phylum)、纲(Class)、目(Order)、科(Family)、属(Genus)、种(Species)。


举个分类的例子

所以我想,关于isa,也就是我们说的“是什么东西”,差不多就是这个概念了。

#2. isa有什么用?

大概理解了isa,再来看看isa有什么用。

首先大概了解一下OC是怎么使用面向过程编程的C语言来实现“面向对象”。

OC是C语言面向对象的一个拓展集,通过编译器如LLVM,我们可以直接将OC代码转化为C语言代码,而且OC里面我们经常用到的一些东西,例如NSInteger,其实也只是C语言里基础类型的宏定义,所以我个人觉得OC其实就是一种C语言。之前校招参加C++面试的时候,就有面试官问我,假如直接使用C语言来实现面向对象的特性,我们可以怎么实现?首先我想到的是结构体,可以用来指代“对象”,这个“对象”的一些属性,如果可以用基础类型,就用基础类型,如果不行,就用结构体将其属性继续“对象化”,然后用对应的指针来作为它的属性,至于它的成员方法什么的,就用函数指针。那恰好,OC里面的类,就是使用C语言的结构体,但是这个结构体比我能想到的远远要高级很多。

在头文件objc.h里面,也就是在 isa的类型的Class的定义的下方,有这样几行:

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

有一个叫做objc_object的结构体定义,注释上说,此结构体指代一个类的实例对象,这个结构体定义只有一个非空成员:isa,我们常见的、可以指向任何实例对象的id,即是此结构体指针。

可见,有了isa,也就有了我们所说的面向对象的OC。

#3. 关于 isa 的拓展:子类、父类、元类

在前面给的那张生物里对物种分类的图里面,比如说“猫”,是最底层的子类,用面向对象的实现的话,可以是这样的:

动物界的类,假如说是:

class Animal;

动物分很多种,这里是带有脊索的动物,所以定义是:

class Chordata : Animal;

脊索动物也分很多种,比如哺乳、节肢等,这里是哺乳类:

class Mammal:Chordata;

依次类推,因为中间太多了,先就到这里。
那在OC里面,如果说有一个是实例对象就是猫科,那么它的isa就是Mammal,显然,那Mammal的isa是什么?是一个Animal吗?不是,是一个分类对象实例,Chordata和Animal也是一个分类对象实例。所以这里有一个隐藏的对象类,那就是“物种”分类,那“物种”分类的isa呢?反正最后一定会有聪明人,将所有的一切都归结到一个“类”,这个类也应该就是我们所称的“元类”。

面向对象的思想就是一切皆对象,这样分类就是将事物抽象成对象。在OC里,除去那些C语言里的基础类型,其他的所有都可以认为是对象。一个是实例对象,他所在的类,可以认为是一个子类,比如所熟知的最基础的NSObject,再到我们常见的UIView,这些都是我们所熟悉面向对象中子类subclass和父类superclass的概念,但是元类meta-class却是隐藏不可见的。这里可以引出来一个概念,叫做“类方法”和“实例方法”。

我们调用一个实例对象的某个方法的时候,首先就需要生成一个实例,然后通过消息发送的机制去调用。假如我自己定义了好了一个SomeClass的类,然后我想要调用其实例方法,用伪代码来写通常是这样的:

SomeClass *instance = [[SomeClass alloc] init];
[instance doSomething];

从字面上,这里就调用了一次类方法和两次实例方法,alloc是类方法,initdoSomething是实例方法。我们通常可以自己在代码里重写initdoSomething之类的实例方法,也可以自定义一些类方法,但是这两者之间有什么区别呢?

上面的代码里instance是一个对象的实例,其实在OC里SomeClass这个类,它本身也是某个类的一个实例,假设就是最顶层的元类MetaClass。所以我们可以认为,[instance doSomething]是在调用实例方法,其实[SomeClass alloc]又何尝不是MetaClass的实例对象的一个方法呢?从概念上来讲是这样的,但是我们自己定义的SomeClass这个实例对象,是什么时候变成MetaClass的一个实例对象的呢?我可从来没有手写过类似MetaClass *SomeClass =[[MetaClass alloc] init]这样直接生产类对象的代码。这里有一片文章讲的是什么是meta-class(What is a meta-class in Objective-C?)建议可以好好看一下。这里面有一个打印isa的例子,从输出的结果看出来NSObjectisa一个我们未曾谋面过的某个类的实例对象,而这个神秘的类,应该也就是NSObject作为根类的系统下的所有对象的元类。这个元类,一定是在OC的设计里就已经预定义好了。我们自己所写的所有类、抑或是运行时新建的类,都将围绕这个元类,在调用的过程中,将二进制代码加载到内存和寄存器进行实例化。我们已经写好的类,编译器会编译成二进制代码存放在文件里,那运行时动态创建的类,应该是通过已经设计好的元类的方法,开辟内存空间、使用底层的C语言或者二进制代码,直接生成需要类信息放在内存里的,想起来前面提到的OC类对象是一个结构体了吗?那里面除了isa之外还有许多其他字段,他们都是指针类型的,方法列表、函数列表等等,这些值,都可以应该可以在加载对应的过程中通过元类的实例化过程设置好。

所以如果真的要说,类方法和实例方法有什么区别,在我看来,其实没有什么区别,它们执行的时候都是内存里的二进制代码,
都存放在代码段,而且是不可写的,那为什么OC可以动态的创建类呢?我猜想,应该是通过元类的设计,使用底层的C语言和汇编代码,写好内存和寄存器操作指令,放到内存里的,并非我们所能见到的普通的代码。

个人拙见。

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