Objective-C中的对象大致可以分为：instance对象、class对象、metaclass对象。建议下载objc4源码 查阅。

• instance对象的isa指针指向的是class对象；
• class对象的isa指针指向metaclass对象；
• metaclass对象的isa指针指向基类的metaclass对象；
• 基类的metaclass对象的isa指针则指向自身，其superclass指针指向基类的class对象。

instance

我们先简单的定义一个Animal类：

@interface Animal : NSObject 
{
    int _age;
}
@end
@implementation Animal
@end

使用以下指令把Objective-C代码转换成C/C++代码
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc 源文件 -o 目标文件

typedef struct objc_class *Class;

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};
struct Animal_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    int _age;
};

Animal转换成C/C++之后是一个结构体，为了验证Animal是不是一个结构体，我们通过代码来验证一下

struct wd_Animal {
    Class *isa;
    int age;
    int num;
};
@interface Animal : NSObject {
    @public
    int _age;
    int _num;
}
@end
@implementation Animal
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    Animal *animal = [[Animal alloc] init];
    animal->_age = 1;
    animal->_num = 10;
    struct wd_Animal *an = (__bridge struct wd_Animal *)(animal);
    an->age = 2;
    an->num = 20;
    NSLog(@"%d -- %d", animal->_age, animal->_num);  \\ 2 -- 20
    return 0;
}

animal对象的_age变量被成功的修改成了2，通过class_getInstanceSize函数打印出Animal实例所占的内存大小为16，通过Xcode的debug工具查看一下animal对象内存

View Memory

animal

修改_age

instance对象中只保存一个isa指针和其成员变量，对象方法保存在class对象中。

class

class的本质结构是objc_class结构体

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    class_rw_t *data() { 
        return bits.data();
    }
    void setData(class_rw_t *newData) {
        bits.setData(newData);
    }
    ... 省略
};

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
    ... 省略
};

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;
    }
};

objc_class结构体继承自objc_object，所以class内部也有一个isa指针，class本质也是一个对象。

NSLog(@"%p", animal.class);                      // 0x1000011f8
NSLog(@"%p", object_getClass(animal));           // 0x1000011f8
NSLog(@"%p", [Animal class]);                    // 0x1000011f8
NSLog(@"%p", object_getClass([Animal class]));   // 0x1000011f8

打印出来的结果发现内存地址是一样的，类对象在内存中只存放一份。可能有眼尖的同学会发现到animal对象中的isa指针不是指向Animal类对象的内存地址，之前不是说instance对象内的isa指针是指向class对象的吗？为什么打印出来的animal对象的isa指针的值和Animal对象的内存地址不一样。
阅读class_data_bits_t结构体后会发现isa指针不是直接指向内存地址的，而是要和ISA_MASK进行&运算才能得到真正的内存地址。

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
# else
#   error unknown architecture for packed isa
# endif

metaclass

metaclass的本质结构也是objc_class结构体。

Class classObject = [NSObject class];
NSLog(@"%p", classObject);                      // 0x7fff9d5be140
NSLog(@"%p", [[NSObject class] class]);         // 0x7fff9d5be140
NSLog(@"%p", object_getClass(classObject));     // 0x7fff9d5be0f0
NSLog(@"%p", objc_getMetaClass("NSObject"));    // 0x7fff9d5be0f0

通过OC语法的class方法是不能获取到metaclass的，只能通过runtime中的object_getClass才能获取到class对象的metaclass。每个类在内存中有且只有一个metaclass对象。

@interface NSObject(TestMeta)
+ (void)print;
@end
@implementation NSObject(TestMeta)
- (void)print {
    NSLog(@"这是实例方法");
}
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
    [NSObject print];      // 这是实例方法
    return 0;
}

为什么不是报错，而是打印实例方法呢？
类方法是存放在metaclass对象中的，而实例方法才是存放在class对象中的，这里以Animal类为例：

static struct _class_ro_t _OBJC_CLASS_RO_$_Animal __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
    0, __OFFSETOFIVAR__(struct Animal, _age), sizeof(struct Animal_IMPL), 
    0, 
    "Animal",
    (const struct _method_list_t *)&_OBJC_$_INSTANCE_METHODS_Animal,
    0, 
    (const struct _ivar_list_t *)&_OBJC_$_INSTANCE_VARIABLES_Animal,
    0, 
    0, 
};
static struct /*_method_list_t*/ {
    unsigned int entsize;  // sizeof(struct _objc_method)
    unsigned int method_count;
    struct _objc_method method_list[1];
} _OBJC_$_INSTANCE_METHODS_Animal __attribute__ ((used, section ("__DATA,__objc_const"))) = {
    sizeof(_objc_method),
    1,
    {{(struct objc_selector *)"eat", "v16@0:8", (void *)_I_Animal_eat}}
};

方法存放在结构体里面的时候没有正负号来标记是类方法还是实例方法的。
当我们尝试调用的NSObject对象的类方法print的时候，就是向其metaclass发送print消息，由于metaclass中没有找到print的具体实现，于是metaclass就会尝试调用父类的print方法，而基类的metaclass的superclass指针指向的是基类，而NSObject有实现名为print的实例方法，而且能成功的打印出这是实例方法。

_class_t这个结构体编译时结构体，当程序在运行的时候，runtime会在运行时动态增加一些属性的，具体的还是以objc4源码 为准。感谢MJ老师提供的帮助