Day5-Objective-C Runtime 基础结构

Objective-C Runtime 基础结构

Objective-C 运行时系统（Runtime）是 Objective-C 语言的核心部分，它在程序运行期间负责管理类、对象、方法调用等行为。

主要的结构体和组件包括：

1. objc_class（类结构体）

struct objc_class {
    Class isa;                // 指向元类
    Class super_class;        // 父类
    const char *name;         // 类名
    long version;             // 版本信息
    long info;                // 类信息标志
    long instance_size;       // 类实例的大小
    struct objc_ivar_list *ivars;    // 成员变量列表
    struct objc_method_list **methodLists; // 方法列表（数组）
    struct objc_cache *cache; // 方法缓存
    struct objc_protocol_list *protocols; // 协议列表
};

注意：现代 Runtime 中，结构体已经变化了，上述是经典（早期）的描述，新的版本更复杂且高度封装。

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2. objc_object（对象结构体）

struct objc_object {
    Class isa;  // 指向对象所属的类
};

• 每一个对象底层其实就是一个指针，最重要的成员就是 isa。
• isa 既可以指向 Class，也可以指向 Meta-Class（元类）。

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3. objc_method（方法结构体）

struct objc_method {
    SEL name;      // 方法选择器（Selector）
    char *types;   // 方法的参数和返回值类型编码
    IMP imp;       // 方法实现的函数指针
};

• SEL 是方法名的唯一标识。
• IMP 是函数指针，本质上就是 C 函数的地址。

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4. objc_ivar（成员变量结构体）

struct objc_ivar {
    char *name;        // 变量名
    char *typeEncoding; // 类型编码
    int offset;         // 变量在对象内存中的偏移量
};

• 成员变量的信息，包括名字、类型和内存位置。

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5. objc_property（属性结构体）

在现代 Runtime 里面，属性也有自己的结构：

typedef struct {
    const char *name;            // 属性名
    const char *attributes;      // 属性修饰列表（例如：T@"NSString",C,N,V_name）
} objc_property_t;

• 属性其实是成员变量 + 一些特定特性（getter/setter规则）。

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小总结

组件	作用
objc_object	所有对象的基础
objc_class	类对象描述结构
objc_method	方法的定义
objc_ivar	成员变量定义
objc_property	属性定义

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进阶补充

在 现代 Objective-C Runtime（如 iOS 14+），这些结构体实际上被进一步封装优化，比如：

• 类使用 objc_class 和 objc_data_bits_t（联合体）分离了缓存、只读数据等。
• methodList 也使用更紧凑的链表存储。
• isa 指针通过 isa 指针优化（ISA指针打包） 包含了更多信息，比如引用计数、是否有C++析构函数等。

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现代 Objective-C Runtime 的优化

1. objc_class 和 objc_data_bits_t 的分离

早期（传统）的结构：

在早期的 Objective-C Runtime 中，类对象（objc_class）包含了所有关于类的描述信息，包括：

• isa 指针（指向元类）
• super_class（父类指针）
• 成员变量、方法列表、属性等

这种结构虽然简单，但随着 iOS 设备性能的提高，运行时系统也需要对这些数据结构进行优化。

现代优化：

在 iOS 14 及之后的版本中，Objective-C Runtime 通过 分离 类的各个组成部分，提高了性能和内存效率。

objc_class 现在主要包含 元类的引用，而其它数据（如方法列表、属性、成员变量等）被移到了 objc_data_bits_t 结构中。这种方式的好处是：

• 缓存友好：类的元数据可以被存储在内存的紧凑区域，提高了缓存命中率。
• 分离存储：类数据和方法数据分开存储，避免了冗余的内存占用。
• 增强的灵活性：可以在不同的硬件架构下对这些数据进行不同的布局，以便更好地适配不同的内存和处理器特性。

例子：

objc_class 结构变得非常简洁：

struct objc_class {
    Class isa;                // 指向元类
    Class super_class;        // 父类
    const char *name;         // 类名
    ...
    objc_data_bits_t data;    // 类的其它元数据，如方法、属性、缓存等
};

而 objc_data_bits_t 则包含了实际的数据部分：

union objc_data_bits_t {
    struct {
        method_list_t *methodList;   // 方法列表
        ivar_list_t *ivarList;       // 成员变量列表
        property_list_t *propertyList; // 属性列表
        cache_t cache;               // 方法缓存
    };
    uintptr_t raw; // 原始内存表示
};

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2. methodList 存储的优化

早期存储：

传统的 methodList 是基于链表（Linked List）存储的。这种方式虽然简单，但查找方法时效率较低，尤其是在类层级很深或者方法很多的情况下。

现代优化：

在现代的 Runtime 系统中，methodList 不再是单纯的链表。它现在采用了一种 紧凑的链表结构，并且结合了 哈希表（Hash Table） 或者 二叉搜索树（Binary Search Tree），大大提高了方法查找的效率。

• 哈希表：通过哈希值来存储方法，查找操作时间复杂度为 O(1)。
• 二叉搜索树：如果方法列表较大，可能使用树结构来提高查找性能（特别是方法名排序后）。

这种优化使得对于频繁调用的方法，能够以更高的效率进行查找。

优化的好处：

• 方法查找速度更快。
• 降低了内存占用，尤其在方法很多的类中表现尤为突出。

3. isa 指针优化（ISA指针打包）

早期 isa 指针：

早期的 isa 指针实际上是一个单纯的指针，它指向当前对象所属的类。当我们需要判断一个对象的类型时，必须通过这个指针进行查找。这个过程虽然有效，但随着内存和处理器架构的变化，其效率并没有得到最优的利用。

现代优化：

iOS 14 及之后的版本引入了 ISA 指针打包（ISA pointer packing） 的概念，使得 isa 指针变得更加高效。具体来说：

• 压缩指针：isa 不仅仅是一个指针，它包含了更多的信息，包括：
• 引用计数：可以通过 isa 字段直接获取对象的引用计数（而不需要额外的字段）。
• C++ 析构函数支持：对于 C++ 对象，isa 可以包含一个标记，表明该对象是否有 C++ 析构函数需要调用。
• 指针压缩：针对 64 位设备，指针已经被压缩，节省了内存空间。
• 指针布局：通过优化指针的布局，可以减少内存访问的延迟。例如，将常用的标记和信息放在 isa 中，减少了缓存缺失的概率。

结构变化：

struct objc_object {
    Class isa;   // 压缩后的 isa 指针，包含更多信息
};

这种优化使得：
• 内存使用：减少了内存占用。
• 效率提升：访问对象所属类时的效率大幅提高。

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总结

在现代 Objective-C Runtime 中，结构体的优化和指针的打包大大提升了系统的性能，尤其是在内存占用和方法查找速度上。重点优化如下：
• objc_class 和 objc_data_bits_t 的分离：提高了内存布局的紧凑性和效率。
• methodList 的优化：结合哈希表和二叉搜索树，提高了方法查找的效率。
• isa 指针优化：通过指针打包，减少了内存占用，并加速了对象的类型查找和引用计数管理。

这些改进的核心目的是：提升性能、减少内存占用，特别是在 iOS 设备上，确保运行时系统能够在有限的硬件资源上高效运行。

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