关于oc运行时 isa指针详解

Cocoa框架是iOS应用程序的基础，了解Cocoa框架，对开发iOS应用有很大的帮助。

1、Cocoa是什么？

Cocoa是OS X和 iOS操作系统的程序的运行环境。

是什么因素使一个程序成为Cocoa程序呢？不是编程语言，因为在Cocoa开发中你可以使用各种语言；也不是开发工具，你可以在命令行上就可以创建Cocoa程序。Cocoa程序可以这么说，它是由一些对象组成，而这些对象的类最后都是继承于它们的根类：NSObject。而且它们都是基于Objective-C运行环境的。

1.1、Cocoa框架

iOS中，Cocoa众多框架中最重要最基本的两个框架是：Foundation 和 UIKit。

Foundation 和界面无关，也可以说和界面无关的类基本是Foundation框架的，和界面相关的是UIKit框架。

这两个框架在系统中处于的位置如图：

1.2、Foundation框架

好吧，那我们看看两个框架的类组织架构图，第一个先看Foundation的，三个图，包括了Foundation所以的类，图中灰色的是iOS不支持的，灰色部分是OS X系统的。

将上图Foundation框架中的类进行逻辑分类如下：

值对象
集合
操作系统服务包括下面三个：文件系统和URL 进程间通讯。 这个范畴中的大部分类代表不同的系统端口、套接字、和名字服务器，对实现底层的IPC很有用。NSPipe代表一个BSD管道，即一种进程间的单向通讯通道。 线程和子任务。 NSThread类使您可以创建多线程的程序，而各种锁（lock）类则为彼此竞争的线程在访问进程资源时提供各种控制机制。通过NSTask，您的程序可以分出一个子进程来执行其它工作或进行进度监控。
通知
归档和序列化
表达式和条件判断
Objective-C语言服务

1.3 UIKit框架

应用程序可以通过三种方式使用UIKit创建界面

在用户界面工具（interface Buidler）从对象库里拖拽窗口，视图或者其他的对象使用。
用代码创建
通过继承UIView类或间接继承UIView类实现自定义用户界面

框架类组织架构图：

在图中可以看出，responder 类是图中最大分支的根类，UIResponder为处理响应事件和响应链定义了界面和默认行为。当用户用手指滚动列表或者在虚拟键盘上输入时，UIKit就生成时间传送给UIResponder响应链，直到链中有对象处理这个事件。相应的核心对象，比如：UIApplication ，UIWindow，UIView都直接或间接的从UIResponder继承。

2、Cocoa对象

2.1 Objective-C是面向对象的语言

Objective-C和Java C++一样，有封装，继承，多态，重用。但是它不像C++那样有重载操作法、模版和多继承，也没有Java的垃圾回收机制。

2.2 Objective-C的优点

Objective-C语言有C++ Java等面向对象的特点，那是远远不能体现它的优点的。Objective-C的优点是它是动态的。动态能力有三种：

动态类-运行时确定类的对象

动态绑定-运行时确定要调用的方法

动态加载--运行时为程序加载新的模块

2.3 动态能力相关的isa指针

每个Objective-C对象都有一个隐藏的数据结构，这个数据结构是Objective-C对象的第一个成员变量，它就是isa指针。这个指针指向哪呢？它指向一个类对象(class object 记住它是个对象，是占用内存空间的一个变量，这个对象在编译的时候编译器就生成了，专门来描述某个类的定义)，这个类对象包含了Objective-C对象的一些信息（为了区分两个对象，我把前面提到的对象叫Objective-C对象），包括Objective-C对象的方法调度表，实现了什么协议等等。这个包含信息就是Objective-C动态能力的根源了。

那我们看看isa指针类型的数据结构是什么样的？如果抛开NSObject对象的其他的成员数据和变量，NSObject可以看成这样：

@interface NSObject <NSObject> {
Class isa;
}

不考虑@interface关键字在编译时的作用，可以把NSObject更接近C语言结构表示为：

struct NSObject{
　　Class isa;
}

Class是用typedef 定义的

typedef struct objc_class *Class;

那NSObject可以这么写了

struct NSObject{
　　objc_class *isa
}

那objc_class的结构是什么样的呢？大概是这样的：

struct objc_class {
Class isa;
Class super_class;
const char *name;
long version;
long info;
long instance_size;
struct objc_ivar_list *ivars;
struct objc_method_list **methodLists;
struct objc_cache *cache;
struct objc_protocol_list *protocols;
}

这里会看到，在这个结构体里还有一个isa指针，又是一重指向，是不是有种到了盗梦空间的感觉。不用紧张，take easy，不会有那么多层次的，这里的isa指针指向的是元类对象(metaclass object)，带有元字，证明快到头了。那元对象有啥用呢？它用来存储的关于类的版本，名字，类方法等信息。所有的元类对象(metaclass object)都指向 NSObject的元类对象，到头还是NSObject。一共三次：类对象->元类对象->NSObject元类对象。

为了得到整个类组织架构的信息，objc_class结构里定义了第二个成员变量Class super_class，它指向父类的类对象。说了这么多，可能关系缕不清楚，有道是一张图胜过千言万语

图中可以看出，D3继承D2,D2继承D1,D1最终继承NSObject。下图从D3的一个对象开始，排列出D3 D2 D1 NSObject 类对象，元类对象等关系。

图中的箭头都是指针的指向。

2.4 根类 NSObject

NSObject是大部分Objective-C类的根类，它没有父类。其它类继承NSObject，访问Objective-C运行时系统的基本接口，这样其他类的实例可以获得运行时的能力。

2.4.1 根类和根类协议

NSObject不但是个类名，NSObject也是个协议的名称，参考NSObject协议， NSObject协议指定了根类必须实现的接口。

2.4.2 根类的主要方法：

分配、初始化、和复制：

alloc和allocWithZone:方法用于从某内存区域中分配一个对象内存，并使对象指向其运行时的类定义。
init方法是对象初始化。
new是一个将简单的内存分配和初始化结合起来的方法。
copy和copyWithZone:

对象的保持和清理：

retain方法增加对象的保持次数。
release方法减少对象的保持次数。
autorelease方法也是减少对象的保持次数，但是以推迟的方式。
retainCount方法返回对当前的保持次数。
dealloc方法由需要释放对象的实例变量以及释放动态分配的内存的类实现。

内省和比较

NSObjec有很多方法可以查询对象的运行时信息。这些内省方法有助于找出对象在类层次中的位置，确定对象是否实现特定的方法，以及测试对象是否遵循某种协议。下面是部分方法
superclass和class方法（实现为类和实例方法）分别以Class对象的形式返回接收者的父类和类。
您可以通过isKindOfClass:和isMemberOfClass:方法来确定对象属于哪个类。后者用于测试接收者是否为指定类的实例。isSubclassOfClass:类方法则用于测试类的继承性。
respondsToSelector:方法用于测试接收者是否实现由选择器参数标识的方法。instancesRespondToSelector:类方法则用于测试给定类的实例是否实现指定的方法。
conformsToProtocol:方法用于测试接收者（对象或类）是否遵循给定的协议。
isEqual:和hash方法用于对象的比较。
description方法允许对象返回一个内容描述字符串；这个方法的输出经常用于调试（“print object”命令），以及在格式化字符串中和“%@”指示符一起表示对象。

对象的编码和解码

下面的方法和对象的编解码（作为归档过程的一部分）有关：
encodeWithCoder:和initWithCoder:是NSCoding协议仅有的方法。前者使对象可以对其实例变量进行编码，后者则使对象可以根据解码过的实例变量对自身进行初始化。
NSObject类中声明了一些于对象编码有关的方法：classForCoder:、replacementObjectForCoder:、和awakeAfterUsingCoder:。

消息的转发

forwardInvocation:允许一个对象将消息转发给另一个对象。

消息的派发

在performSelector开头的一些方法允许你延迟后派发指定消息，而且可以将消息（同步或异步的消息）从辅助线程派发到主线程。

2.5 Cocoa对象生命周期

对象的四种内存管理方式，如下图所示

对象的生命周期—简化视图

保持接收到的对象

拷贝接收到的对象

自动释放池

参考：

1、http://algorithm.com.au/downloads/talks/objective-c-internals/objective-c-internals.pdf

2、http://developer.apple.com/library/mac/#documentation/Cocoa/Conceptual/CocoaFundamentals/Introduction/Introduction.html

3、http://www.cnblogs.com/csutanyu/archive/2011/12/12/Objective-C_memory_layout.html