Objective-C的runtime是开源的，源码可以在苹果官网下载到：objc4。

在objc4-532.2以后，苹果把NSObject的实现也挪进来了。想要了解NSObject底层实现终于不用去抠GNUstep了～

好了，下面正文：

1.id和Class的定义

runtime里面，声明了id和Class的类型，简化一下如下：

struct objc_class {
    struct objc_class *isa;
};
struct objc_object {
    struct objc_class *isa;
};

typedef struct objc_class *Class; //类  (class object)
typedef struct objc_object *id;   //对象 (instance of class)

struct objc_class {

struct objc_class *isa;

};

struct objc_object {

struct objc_class *isa;

};

typedef struct objc_class *Class; //类 (class object)

typedef struct objc_object *id; //对象 (instance of class)

在objc中，id代表了一个对象。根据上面的声明，凡是首地址是*isa的struct指针，都可以被认为是objc中的对象。运行时可以通过isa指针，查找到该对象是属于什么类(Class)。

2.运行时的实现方式

根据上面的说法，类对象(Class)同样也算是对象，那它的isa又是指向了什么呢？为了了解这些东西是怎么回事，这里写一个简单的类NyanCat，并且用C重写一遍，看看编译器在底层到底是如何实现的。

@interface NyanCat : NSObject {
    int age;
    NSString *name;
}
- (void)nyan;
+ (void)nyan;
@end

@implementation NyanCat
- (void)nyan1 {
    printf("instance nyan~");
}
+ (void)nyan2 {
    printf("class nyan~");
}
@end

@interface NyanCat : NSObject {

int age;

NSString *name;

}

- (void)nyan;

+ (void)nyan;

@end

@implementation NyanCat

- (void)nyan1 {

printf("instance nyan~");

}

+ (void)nyan2 {

printf("class nyan~");

}

@end

上面是一个简单的类，有两个instance variable，有一个类方法、一个实例方法。

clang -rewrite-objc NyanCat.m

1	clang -rewrite-objc NyanCat.m

在终端执行上面这一条语句，让clang将该类重写为cpp代码，我们就能查看到大概底层的实现机制了(实际编译的文件和这个会有些出入，不同目标架构和不同版本clang也会有不同..权且当参考了)。

rewrite后的代码基本是纯C的，稍微整理一下，可以提取出下面这些信息：

//Class的实际结构
struct _class_t {
	struct _class_t *isa;        //isa指针
	struct _class_t *superclass; //父类
	void *cache;
	void *vtable;
	struct _class_ro_t *ro;     //Class包含的信息
};

//Class包含的信息
struct _class_ro_t {
	unsigned int flags;
	unsigned int instanceStart;
	unsigned int instanceSize;
	unsigned int reserved;
	const unsigned char *ivarLayout;
	const char *name;                                 //类名
	const struct _method_list_t *baseMethods;         //方法列表
	const struct _objc_protocol_list *baseProtocols;  //协议列表
	const struct _ivar_list_t *ivars;                 //ivar列表
	const unsigned char *weakIvarLayout;
	const struct _prop_list_t *properties;            //属性列表
};

 //NyanCat(meta-class)
struct _class_t OBJC_METACLASS_$_NyanCat  = {
	.isa        = &OBJC_METACLASS_$_NSObject,
	.superclass = &OBJC_METACLASS_$_NSObject,
	.cache      = (void *)&_objc_empty_cache,
	.vtable     = (void *)&_objc_empty_vtable,
	.ro         = &_OBJC_METACLASS_RO_$_NyanCat, //包含了类方法等
};

//NyanCat(Class)
struct _class_t OBJC_CLASS_$_NyanCat = {
	.isa        = &OBJC_METACLASS_$_NyanCat,   //此处isa指向meta-class
	.superclass = &OBJC_CLASS_$_NSObject,
	.superclass = (void *)&_objc_empty_cache,
	.vtable     = (void *)&_objc_empty_vtable,
	.ro         = &_OBJC_CLASS_RO_$_NyanCat,   //包含了实例方法 ivar信息等
};

typedef struct objc_object NyanCat;   //定义NyanCat类型
//更详细的不贴代码了..

//Class的实际结构

struct _class_t {

struct _class_t *isa; //isa指针

struct _class_t *superclass; //父类

void *cache;

void *vtable;

struct _class_ro_t *ro; //Class包含的信息

};

//Class包含的信息

struct _class_ro_t {

unsigned int flags;

unsigned int instanceStart;

unsigned int instanceSize;

unsigned int reserved;

const unsigned char *ivarLayout;

const char *name; //类名

const struct _method_list_t *baseMethods; //方法列表

const struct _objc_protocol_list *baseProtocols; //协议列表

const struct _ivar_list_t *ivars; //ivar列表

const unsigned char *weakIvarLayout;

const struct _prop_list_t *properties; //属性列表

};

//NyanCat(meta-class)

struct _class_t OBJC_METACLASS_$_NyanCat = {

.isa = &OBJC_METACLASS_$_NSObject,

.superclass = &OBJC_METACLASS_$_NSObject,

.cache = (void *)&_objc_empty_cache,

.vtable = (void *)&_objc_empty_vtable,

.ro = &_OBJC_METACLASS_RO_$_NyanCat, //包含了类方法等

};

//NyanCat(Class)

struct _class_t OBJC_CLASS_$_NyanCat = {

.isa = &OBJC_METACLASS_$_NyanCat, //此处isa指向meta-class

.superclass = &OBJC_CLASS_$_NSObject,

.superclass = (void *)&_objc_empty_cache,

.vtable = (void *)&_objc_empty_vtable,

.ro = &_OBJC_CLASS_RO_$_NyanCat, //包含了实例方法 ivar信息等

};

typedef struct objc_object NyanCat; //定义NyanCat类型

//更详细的不贴代码了..

所有NyanCat的实例的isa都指向了NyanCat(Class)。

NyanCat(Class)是一个全局变量，其中记录了类名、成员变量信息、property信息、protocol信息和实例方法列表等。

NyanCat(Class)的isa指向了全局变量NyanCat(meta-class)，meta-class里只记录了类名、类方法列表等。

画出图来就是这样：

举例来说一下：

NyanCat *cat = [[NyanCat alloc] init];
[cat nyan1];

1 2	NyanCat *cat = [[NyanCat alloc] init]; [cat nyan1];

向cat (instance) 发送消息nyan1时，运行时会通过isa指针查找到NyanCat(Class)，这里保存着本类中定义的实例方法的指针。

[NyanCat nyan2];

1	[NyanCat nyan2];

向NyanCat(Class)发送消息nyan2时，运行时会通过isa查找到NyanCat(meta-class)，这里保存着本类中定义的类方法的指针。

运行时如何利用Chass和meta-class来实现动态消息的，以后在记吧～

3.类的继承

在_class_t里面，第二个成员是superclass，很明显这个指针指向了它的父类。运行时可以通过isa和superclass获取一个类在继承树上的完整信息。

为了说明方便，这里把上面的例子稍微改一下：NyanCat : Cat : NSObject 这样一个继承树，画出图来就是这样子的：

如上面图中，跟随黑线，可以看到isa的指向。运行时，每个对象的isa都不为空，这样只要是一个id类型的对象，runtime都可以通过访问首地址偏移(isa)来获取该对象的信息了。

上图中跟随绿线，可以看到superclass的指向。当运行时在搜寻方法、ivar信息时，如果没有找到信息，则会沿superclass的线查找上去，最终NSObject(根类)的superclass是nil。

如果自己定义了一个根类(比如NSProxy)，则这个根类会替换图中NSObject的位置。

为了验证上面的说法，可以敲一下代码看看：

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

void test() {
    NyanCat *cat = [[NyanCat alloc] init];

    Class cls = object_getClass(cat); //NyanCat(Class)
    class_getName(cls);               //"NyanCat"
    class_isMetaClass(cls);           //NO

    Class meta = object_getClass(cls); //NyanCat(meta-class)
    class_getName(meta);               //"NyanCat"
    class_isMetaClass(cls);            //YES

    Class meta_meta = object_getClass(meta); //NSObject(meta-class)
    class_getName(meta_meta);                //"NSObject"
    class_isMetaClass(meta_meta);            //YES
}

#import "NyanCat.h"

#import <objc/runtime.h>

#import <objc/objc.h>

void test() {

NyanCat *cat = [[NyanCat alloc] init];

Class cls = object_getClass(cat); //NyanCat(Class)

class_getName(cls); //"NyanCat"

class_isMetaClass(cls); //NO

Class meta = object_getClass(cls); //NyanCat(meta-class)

class_getName(meta); //"NyanCat"

class_isMetaClass(cls); //YES

Class meta_meta = object_getClass(meta); //NSObject(meta-class)

class_getName(meta_meta); //"NSObject"

class_isMetaClass(meta_meta); //YES

}

最后吐嘈一下：平时开发时，meta-class基本是用不着接触的，superclass指针无法访问，isa指针可能稍后也会隐藏起来(苹果的动作真多)。。所以上面说得这些，了解一下就好～～

9 评论

满月在 2015 年 11 月 8 日的下午 6:28

:o :o :o :o 非常实用，感谢分享。
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yingkong1987 在 2015 年 11 月 30 日的下午 4:29

运行时如何利用Chass和meta-class来实现动态消息的，以后在记吧～

“class” 有拼写问题
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kuengye 在 2016 年 8 月 1 日的上午 11:27

Class meta = object_getClass(cls); //NyanCat(meta-class)
class_getName(meta); //”NyanCat”
class_isMetaClass(cls); //YES

最新测试这个 class_isMetaClass为NO。
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- 李长成在 2017 年 7 月 28 日的下午 2:45
  
  作者那里写错了啊很明显..
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  - 陈晓明在 2017 年 10 月 17 日的下午 4:30
    
    应该是class_isMetaClass(meta);//YES
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谢俊逸在 2017 年 2 月 8 日的下午 4:49

Hook 的时候 isa,meta-class 很常用诶
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vinnyxiong 在 2017 年 2 月 9 日的上午 11:07

@interface NyanCat : NSObject {
int age;
NSString *name;
}
– (void)nyan;
+ (void)nyan;
@end

这里的方法名是不是写错了，应该是：
@interface NyanCat : NSObject {
int age;
NSString *name;
}
– (void)nyan1;
+ (void)nyan2;
@end
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teanfoo 在 2017 年 2 月 10 日的上午 9:59

Class meta = object_getClass(cls); //NyanCat(meta-class)
class_getName(meta); //”NyanCat”
class_isMetaClass(cls); //YES

这里应该是class_isMetaClass(meta); 吧？
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liangzai 在 2017 年 9 月 9 日的下午 3:07

问下 runtime.h 和objc-runtime-new.h是什么关系？
——————————————-
typedef struct class_t {
struct class_t *isa;
struct class_t *superclass;
Cache cache;
IMP *vtable;
…………….
} 比如后者中定义了一个这样的结构体看着像是类的结构体定义

struct objc_class {
Class isa;

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

} 前者中定义了一个这样的结构体看着也像是类的定义
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