面试题：Objective-C 元类（Meta Class）的深度剖析与应用

Question

深入解释 Objective-C 中元类（Meta Class）的概念、作用以及它与类和对象之间的关系。请举例说明在哪些复杂的编程场景下，对元类的理解和操作是至关重要的，比如实现一些设计模式或者运行时功能扩展等场景中，元类是如何发挥作用的。

Answer 1

元类（Meta Class）概念

在Objective-C中，元类是存储类方法的类。每个类都有一个对应的元类。类对象存储实例变量和实例方法，而元类对象存储类方法。元类的isa指针指向根元类，根元类的isa指针指向自己。

元类的作用

1. 存储类方法：使得类方法有了存储和调用的载体。例如，+ (void)aClassMethod 这样的类方法就存储在元类中。
2. 运行时消息转发：在运行时，当向类发送一个类方法消息时，消息会在元类的方法列表中查找。

元类与类和对象的关系

1. 对象与类：对象是类的实例，对象通过isa指针指向其所属的类。类中定义了对象所具有的实例变量和实例方法。
2. 类与元类：类是元类的实例，类通过isa指针指向其对应的元类。元类存储了类方法。根类（如 NSObject）的元类的isa指针指向自身，形成一个闭环结构。

复杂编程场景举例

1. 单例模式实现：在实现单例模式时，元类起着关键作用。单例模式通过类方法提供一个全局唯一的实例。这个类方法就存储在元类中。比如：

+ (instancetype)sharedInstance {
    static id _sharedInstance = nil;
    static dispatch_once_t onceToken;
    dispatch_once(&onceToken, ^{
        _sharedInstance = [[self alloc] init];
    });
    return _sharedInstance;
}

这里的 sharedInstance 类方法在元类中，保证了无论在何处调用这个类方法，都能获取到全局唯一的实例。 2. 运行时功能扩展：利用元类可以在运行时动态添加类方法。例如，在应用启动时，通过运行时机制向某个类动态添加类方法：

// 动态添加的类方法
void newClassMethod(id self, SEL _cmd) {
    NSLog(@"This is a newly added class method");
}

// 在运行时添加类方法
Class class = [YourClass class];
class_addMethod(class, @selector(newClassMethod), (IMP)newClassMethod, "v@:");

这时候元类就会更新其方法列表，使得新添加的类方法能够被调用。这种机制在很多框架的功能扩展和定制化中非常有用。