面试题：Objective-C运行时机制中类与对象的关系

Question

请简述在Objective-C运行时机制中，类（Class）和对象（Object）是如何关联的，以及类在运行时的结构是怎样的。

Answer 1

类（Class）和对象（Object）的关联

在Objective-C运行时机制中，每个对象都是类的实例。对象在内存中包含一个指向其所属类的指针（isa指针）。通过这个isa指针，对象能够找到它的类，从而获取类的相关信息，比如方法列表、属性列表等，以决定如何响应接收到的消息。例如，当向一个对象发送消息时，runtime会根据对象的isa指针找到对应的类，然后在类的方法列表中查找与消息对应的方法实现。

类在运行时的结构

在运行时，类是一个 objc_class 结构体，其大致结构如下：

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;

• isa指针：指向该类的元类（meta-class），用于查找类方法。元类也是一个类对象，它存储着类方法的列表。
• super_class：指向父类，如果该类是根类（如 NSObject），则为 nil。通过它可以实现继承机制，当在本类找不到某个方法时，会沿着继承链向父类查找。
• name：类的名称。
• version：类的版本信息，通常用于序列化。
• info：包含一些类的特性信息，如是否为元类、是否是ARC管理等。
• instance_size：该类实例对象的大小，即实例变量所占用的内存空间。
• ivars：指向实例变量列表，包含了该类所有实例变量的定义信息。
• methodLists：指向方法列表的指针的指针，每个方法列表包含了一组相关的方法（如实例方法列表、类方法列表等）。方法列表中的每个元素是一个 objc_method 结构体，包含了方法的名称、类型编码和实现。
• cache：方法缓存，用于提高方法查找的效率。当一个方法被调用时，runtime会先在缓存中查找，如果找到则直接调用，避免每次都在完整的方法列表中搜索。
• protocols：指向协议列表，列出了该类所遵循的所有协议。