CS 科普 —— 万物皆对象

2023年11月13日 324次阅读 来源: 算法小白

题图来自 Cyandev 随便画的。

从 C 语言诞生起，面向对象这个概念就开始被提出。结构体也许是最简单的组织一类事物的事物，只不过 C++ 出现后，继承、多态的概念才产生。面向对象的重要思想是一切皆是对象。C++ 对于这句话践行得并不是特别好，所以我们就拿 Objective-C 来说事。

Side note: 事实上，虽然 Objective-C 诞生比 C++ 早，但是我认为其面向对象思想践行得却比 C++ 要好，尤其是消息派发机制以及其他动态特性。而 C++ 很多需求的实现需要依赖模板这种编译时技术，实现了 ZCA（零开销抽象）的同时却降低了程序的可读性和灵活性。

我们知道，Objective-C（以下简称 OC）很棒的地方就是它的 Runtime，就同指针对于 C，这也是 OC 的精华。它一定程度上实现了动态语言的部分特性（对于动态语言的界定我这里可能说得比较模糊，简单理解吧），而又具有编译型语言应有的优良特点。

OC 实现类的方法也是 Runtime 的功劳，简单来讲，OC Runtime 通过一定数据结构来描述一个类，类的实例对象又通过一定的引用方式可以访问到类的基本信息。

所以说，类到底是什么？我们举一个简单的例子：

@interface Person : NSObject
@property (copy) NSString *name;
+ (instancetype)personWithName:(NSString *)name;
- (void)talk;
- (void)play;
@end

这里我们也无需具体实现它，如果要用结构体来描述这个类的一个实例，我可能会这样写：

struct Person {
    NSString *name;
};

哦，看出问题了吗？我们似乎缺失了一些信息，首先是实例方法不见了。于是我这样：

struct Person {
    NSString *name;
    void (*talk)(struct Person *self);
    void (*play)(struct Person *self);
};

加一个函数指针不就行了么。然而，如果每个对象都需要存储一大堆重复的函数指针，是不是有点太浪费了呢。看起来我们需要另外一个对象来存储一些函数指针。

struct PersonClass {
    void (*talk)(struct Person *self);
    void (*play)(struct Person *self);
};

struct Person {
    PersonClass *cls;
    NSString *name;
};

OK，这样一来，我们只需要将每个 Person 实例的 cls 指针设置为全局统一的 PersonClass 对象的地址就行了，我们就可以通过每个实例的 cls 拿到这个类的信息，进而就可以获取到所需的方法了。

到目前为止，我们有了两种结构，一种是每个 Person 实例都有的 Person 结构体，它存储了不同 Person 实例各自的数据，实现了个体的差异化；另一种是每个 Person 实例都需要引用的一个『字典』一样的 PersonClass 对象，这个对象全局只有一个，它涵盖了所有 Person 实例共性的部分，比如类的名字、实例的方法、一些其他额外属性等等。这套体系看起来很完美嘛。

等等…继承呢？

到现在为止我们都一直在讨论 Person 类自己，假设我们现在有了一个新的类 Teacher，是 Person 的子类，那怎么办呢？不管怎么样我们先把它的结构写出来：

struct TeacherClass {
    void (*talk)(struct Teacher *self);  // Kind of different.
    void (*punishStudent)(struct Teacher *self, struct Person *stu);
};

struct Teacher {
    TeacherClass *cls;
    NSString *name;
    NSArray *students;
};

相较于 Person 类，Teacher 多了一个 students 的实例变量和一个 punishStudent 的实例方法，与此同时他的 talk 方法跟父类还不一样。然后我们基于这个实现看看下面这些问题：

  1. 我现在想调用一个 Teacher 对象的 play 方法；
  2. 我想在 talk 方法中调用父类实现。

好像目前这两个需求都实现不了，因为我们的 Teacher 类跟 Person 类没有建立起任何联系，play 方法的函数地址我根本找不到啊 ╮(╯_╰)╭

有了之前的经验我迅速做了修改：

struct TeacherClass {
    PersonClass *super;
    void (*talk)(struct Teacher *self);  // Kind of different.
    void (*punishStudent)(struct Teacher *self, struct Person *stu);
};

很简答，在 TeacherClass 里加一个 PersonClass 类型的 super 字段（暂时不用考虑类型的问题，这些指针编译时统统可以转换成 void *，这里为了大家好理解就写出类型了），由于所有的类对象都有个 super 字段，所以我们可以一级一级搜索，如果自身这个类没有所需的方法，就通过 super 去找它的父类，以此类推找到根类。

到现在为止还需要解决一个问题，记得我们的 Person 类有一个类方法吗？怎么调用它呢？如果你用过 OC，应该知道调用一个对象的方法怎么写：

[obj foo];

调用一个类方法也很简单：

[obj.class bar];

// or

[ObjClass bar];

这就是万物皆对象，只要是个对象，它调用方法的写法都是一致的，中括号左侧为消息接收者，右侧为方法选择子和参数等，消息接收者就是一个个的对象。

所以，类本身其实也是个对象

啊！什么？类也是对象，我明白了！

struct PersonClass {
    void *cls;
    void *super;
    void (*talk)(struct Person *self);
    void (*play)(struct Person *self);
};

这不嘛， 对象肯定有个 cls 字段指向它的类对象啊，所以我们的 TeacherClass 对象也有 cls 可以指向它们共有的类对象，先别管它是什么类型。然后由于我们需要调用类方法，那么自然这个方法的地址要从 TeacherClass 的 cls 字段指向的类对象中找，那么这个类对象的定义应该就是这样：

struct PersonMetaClass {
    void *cls;
    void *super;
    Person *(*personWithName)(...);
};

嗯，非常好，里面有我们需要的类方法，顺便，我还给它起了个好听的名字，就叫 PersonMetaClass 吧！

其实到这里，我们就基本实现了 OC 中的类型系统了，它就是这么简单。

可以看看这个经典的图：

《CS 科普 —— 万物皆对象》每个对象要找实例方法，就通过 isa（也就是我们写的 cls 字段）找到它的类对象，如果这个类对象中没有要找的方法，就通过 superclass 找它的父类。如果要找一个类的类方法，就通过类的 isa 找到它的 MetaClass，然后继续使用上面的规则。由于 MetaClass 也是 Class，Class 又是对象，所以 MetaClass 也有它自己的类对象，这里 OC 统一规定是 NSObject 这个基类了，其实这里置空或者指向自己我认为都是没问题的，看设计者怎么设计了，总之要有这个指针，因为他们都是对象。

其实面向对象并没有严格的界限什么是类，什么是类的实例，它们只不过是角色不同的对象而已，这其实才是最纯正的面向对象。这似乎是先鸡先蛋问题，但很多地方的设计又都是这样，很奇妙。

所以本文就借着 OC 随便扯了扯面向对象的最基本的一个特点，一切皆对象，剖析了一下 OC 的实现方式，没讲具体的技术细节，只是讲了大致的框架，细节需要各位自己通过分析源码来了解。相信大家至少能明白 Meta Class 了吧，嘿嘿。

    原文作者：算法小白
    原文地址: https://juejin.im/entry/58c80e4444d90400699faa77
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