Object, Class and Meta Class in Objective-C

2013.12.05

寫了一陣子的 Objective-C/iOS app，這次讓我們回頭來看點基礎的東西 :)

什麼是 id?

在 Objective-C 裡，變數宣告通常得告知編譯器這個變數的型別，例如這樣：

NSArray* myArray = @[@"eddie", @"kao"];

而在 Objective-C 裡有個特別的型別叫做 id，它可以指向任何物件，像這樣：

id myObject = @[@"eddie", @"kao"];

那這個 id 是什麼? 我們直接來從原始程式碼來找這個 id 的定義。大家可以打開 XCode，然後選擇「File」→「Open Quickly..」，應該可以找到 objc.h 這個檔案，往下捲一點，應該可以找到像下面的這幾行程式碼：

/// 檔案名稱：objc.h
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

就照上面這段註解說的，所謂的 id 就是一個「指向一個實例 (instance) 的指針」，而且 id 這個 Struct 的定義本身就有帶一個 *，這也是為什麼你在宣告其它一般物件型別的變數需要加註一個 * 來表示這是一個指標變數，而使用 id 卻不需要的原因。

什麼是一個物件（Object）？

讓我們再從剛剛那個檔案，順蔓摸瓜的繼續看下去..

/// 檔案名稱：objc.h
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class isa;
};

從這段程式碼可以知道，其實所謂的「物件」，說穿了就只是一個 C 的結構（C Struct），而在這個 Struct 裡面只有一個 isa 的指針，指向自己所屬的類別。

再來我們來看看在 Objective-C 裡，到底什麼是一個類別(Class)

什麼是類別（Class）？

繼續來看剛剛的那個檔案：

/// 檔案：objc.h
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

看得出來其實 Class 本身也是一個 C Struct，再往下看一下這個 objc_class 的定義 (runtime.h)：

/// 檔案：runtime.h
struct objc_class {
    Class isa;

#if !__OBJC2__
    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;
#endif
};

從上面這段程式碼可以看到，所謂的類別也是一個 C Struct，裡面第一個指針 isa 指向它的所屬類別，第二個指針 super_class 則是指向它的父類別。除此之外還有一些其它的指針，指向例如 instance variables、method list、cache、protocol 等 Struct。

訊息傳遞（Message Passing）

大家在其它 Objective-C 的書上應該常看到，在 Objective-C 的世界裡，方法不像其它程式語言一樣的被直接呼叫，而是透過「訊息傳遞(Message Passing)」方式，像是這樣：

[someObject saySomething:@"hello"]

這裡的 someObject 稱作 receiver，就是接收「訊息」的傢伙，而 saySomething: 就是「訊息」，@"hello" 則是參數。

事實上，在訊息傳遞的過程，當 someObject 這傢伙收到訊息之後，會順著這個物件的 isa 指針找到自己的類別，然後再依照收到的「訊息」去類別的 method list 找出對應的方法。如果在這個類別裡面找到了，就會直接執行它，如果找不到，會再往上一層類別（super class）找。以上這個流程都是在程式執行過程中（Rumtime）才動態決定的，而不是在編譯（Compile）時期就決定好的。

而這個訊息傳遞的過程畢竟是多做了幾件事，相對感覺會比較耗時，但實際上在程式的執行過程中，一但執行過的方法就會被暫存（cache）下來，下次再收到一樣的訊息的時候就會快得多了。

其實，在 Objective-C 的世界裡，類別本身也是物件，所以你也可以對它「發送訊息」，像是這樣：

[NSArray arrayWithObjects:@"eddie", @"kao", nil];

看起來就跟在其它程式語言的「類別方法」差不多，但事實上它就是對 NSArray 這個類別發送了 arrayWithObjects: 這個訊息。

接下來我們直接寫一小段程式會比較容易想像：

// Animal Class
@interface Animal : NSObject
@end

@implementation Animal
@end

// Fox Class
@interface Fox : Animal
- (void) say;
@end

@implementation Fox
- (void) say
{
    NSLog(@"What does the fox say!?");
}
@end

上面這段程式碼建立了兩個類別，分別是 Animal 及 Fox ，而且 Fox 繼承自 Animal，而 Animal 類別則是繼承自 NSObject 類別。

不管是「物件」或是「類別」，因為一樣都是物件，所以他們在收到訊息時的反應流程也是一樣的：

當對「物件」發送訊息的時候，它會順著這個物件的 isa 指針找到它的所屬類別，然後翻看看這個類別的 method list 有沒有符合的方法可以執行；
當對「類別」發送訊息的時候，它會順著這個類別的 isa 指針找到它的所屬類別(也就是我們待會要說明的 Meta Class)，然後翻看看這個類別的 method list 有沒有符合的方法可以執行。

什麼是 Meta Class?

Meta 這個字我不太懂中文該怎麼翻譯比較好，有人翻譯成「元」，有人翻譯成「後設」，但我個人還是喜歡直接使用 Meta 這個詞就好。

剛剛在看類別的 objc_class 的定義的時候有提到類別的 Struct 裡也有一個 isa 指針，指向它所屬的類別，你可以想像成是它是「類別的類別」，也就是所謂的 Meta Class。

而 Meta Class 其實也是一種類別，所以也跟一般的類別一樣有 isa 跟 super_class 指針... 所以就可以把這整個的關係用一張圖表來解釋：

Object Model

看圖說故事：

每個 Class (Fox, Animal, NSObject) 的 isa 指針都指向一個唯一的 Class，這個 Class 稱之為 Meta Class。
每個 Meta Class 的 isa 指針都是指向最上層的 Meta Class (在我們上面那段範例裡，就是 NSObject 的 Meta Class)，而最上層的 Meta Class 的 isa 則是指向自己，形成一個迴路。
每個 Meta Class 的 super_class 指針都是指向它原本類別的 Super Class 的 Meta Class，但最上層的 Meta Class 的 super_class 則是指向 NSObject 類別本身。
最上層的 Class (NSObject)，它的 Super Class 指向 nil。

PS：在 Objective-C 裡有兩種 Root Class(NSObject 跟 NSProxy)，但因為在 Objective-C 裡「大部份」的類別都是 NSObject 的子類別，所以舉例常會說最上層的類別就是 NSObject。

一堆 Class、Super Class、Meta Class 的，有種快打結的感覺了嗎? 其實只要理解上面那張圖片，基本上就不用記這些繞舌的規則了。

但口說無憑，讓我們來寫幾行程式碼驗證一下：

Fox* lucky = [[Fox alloc] init];
[lucky say];

// about fox instance
NSLog(@"the class of lucky is %@, address = %p", [lucky class], [lucky class]);

// about Fox class
NSLog(@"Fox = %@, address = %p", [Fox class], [Fox class]);
NSLog(@"Fox's Super Class = %@, address = %p", [Fox superclass], [Fox superclass]);
Class metaClassOfFox = object_getClass([Fox class]);
NSLog(@"Fox's Meta Class = %p", metaClassOfFox);
NSLog(@"Fox's Meta Class's Super Class = %p", [metaClassOfFox superclass]);
Class metaMetaClassOfFox = object_getClass(metaClassOfFox);
NSLog(@"Fox's Meta Class's Meta Class = %p", metaMetaClassOfFox);

// about Animal class
NSLog(@"Animal = %@, address = %p", [Animal class], [Animal class]);
NSLog(@"Animal's Super Class = %@, address = %p", [Animal superclass], [Animal superclass]);
Class metaClassOfAnimal = object_getClass([Animal class]);
NSLog(@"Animal's Meta Class = %p", metaClassOfAnimal);
NSLog(@"Animal's Meta Class's Super Class = %p", [metaClassOfAnimal superclass]);
Class metaMetaClassOfAnimal = object_getClass(metaClassOfAnimal);
NSLog(@"Animal's Meta Class's Meta Class = %p", metaMetaClassOfAnimal);

// about NSObject class
NSLog(@"NSObject = %@, address = %p", [NSObject class], [NSObject class]);
NSLog(@"NSObject's Super Class = %@, address = %p", [NSObject superclass], [NSObject superclass]);
Class metaClassOfNSObject = object_getClass([NSObject class]);
NSLog(@"NSObject's Meta Class = %p", metaClassOfNSObject);
NSLog(@"NSObject's Meta Class's Super Class = %p", [metaClassOfNSObject superclass]);
Class metaMetaClassOfNSObject = object_getClass(metaClassOfNSObject);
NSLog(@"NSObject's Meta Class's Meta Class = %p", metaMetaClassOfNSObject);

輸出結果如下：

What does the fox say!?

the class of lucky is Fox, address = 0x100002260

Fox = Fox, address = 0x100002260
Fox's Super Class = Animal, address = 0x100002210
Fox's Meta Class = 0x100002238
Fox's Meta Class's Super Class = 0x1000021e8
Fox's Meta Class's Meta Class = 0x7fff77cce838

Animal = Animal, address = 0x100002210
Animal's Super Class = NSObject, address = 0x7fff77cce810
Animal's Meta Class = 0x1000021e8
Animal's Meta Class's Super Class = 0x7fff77cce838
Animal's Meta Class's Meta Class = 0x7fff77cce838

NSObject = NSObject, address = 0x7fff77cce810
NSObject's Super Class = (null), address = 0x0
NSObject's Meta Class = 0x7fff77cce838
NSObject's Meta Class's Super Class = 0x7fff77cce810
NSObject's Meta Class's Meta Class = 0x7fff77cce838

輸出結果可能在每個人的電腦上都不一樣，但從輸出的結果就能證明上面那張圖片的每個類別之間的關係。

要特別注意的是，你可能會覺得直接對類別發送 class 訊息就可以得到該類別的 Meta Class，事實上直接對類別發送 class 訊息只會得到該類別自己。要取得類別的 Meta Class，可以透過 object_getClass 來取得。

以上，希望這篇文章能讓大家對 Objective-C 基本的物件跟類別有更進一步的了解。

個人認為，雖然了解這些知識不見得對 iOS app 的開發有直接的幫助，但至少當在寫一個類別或使用一個物件的時候，會更清楚到底是怎麼一回事。如果有哪邊寫錯，還請前輩先進不吝指點。