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从NSArray看类簇

sunnyxx (sunyuan1713@gmail.com)发表于 2014-12-18 14:59:22

Class Clusters

Class Clusters（类簇）是抽象工厂模式在iOS下的一种实现，众多常用类，如NSString，NSArray，NSDictionary，NSNumber都运作在这一模式下，它是接口简单性和扩展性的权衡体现，在我们完全不知情的情况下，偷偷隐藏了很多具体的实现类，只暴露出简单的接口。

NSArray的类簇

虽然官方文档中拿NSNumber说事儿，但Foundation并没有像图中描述的那样为每个number都弄一个子类，于是研究下NSArray类簇的实现方式。

__NSPlacehodlerArray

熟悉这个模式的同学很可能看过下面的测试代码，将原有的alloc+init拆开写：

id obj1 = [NSArray alloc]; // __NSPlacehodlerArray *
id obj2 = [NSMutableArray alloc];  // __NSPlacehodlerArray *
id obj3 = [obj1 init];  // __NSArrayI *
id obj4 = [obj2 init];  // __NSArrayM *

发现+ alloc后并非生成了我们期望的类实例，而是一个__NSPlacehodlerArray的中间对象，后面的- init或- initWithXXXXX消息都是发送给这个中间对象，再由它做工厂，生成真的对象。这里的__NSArrayI和__NSArrayM分别对应Immutable和Mutable（后面的I和M的意思）

于是顺着思路猜实现，__NSPlacehodlerArray必定用某种方式存储了它是由谁alloc出来的这个信息，才能在init的时候知道要创建的是可变数组还是不可变数组

于是乎很开心的去看了下*obj1的内存布局：

下面是32位模拟器中的内存布局（64位太长不好看就临时改32位了- -），第一个箭头是*obj1，第二个是*obj2

我们知道，对象的前4字节（32位下）为isa指针，指向类对象地址，上图所示的0x0051E768就是__NSPlacehodlerArray类对象地址，可以从lldb下po这个地址来验证。

那么问题来了，这个中间对象并没有储存任何信息诶（除了isa外就都是0了），那它init的时候咋知道该创建什么呢？
经过研究发现，Foundation用了一个很贱的比较静态实例地址方式来实现，伪代码如下：

static __NSPlacehodlerArray *GetPlaceholderForNSArray() {
    static __NSPlacehodlerArray *instanceForNSArray;
    if (!instanceForNSArray) {
        instanceForNSArray = [[__NSPlacehodlerArray alloc] init];
    }
    return instanceForNSArray;
}

static __NSPlacehodlerArray *GetPlaceholderForNSMutableArray() {
    static __NSPlacehodlerArray *instanceForNSMutableArray;
    if (!instanceForNSMutableArray) {
        instanceForNSMutableArray = [[__NSPlacehodlerArray alloc] init];
    }
    return instanceForNSMutableArray;
}
// NSArray实现
+ (id)alloc
{
    if (self == [NSArray class]) {
        return GetPlaceholderForNSArray()
    }
}
// NSMutableArray实现
+ (id)alloc
{
    if (self == [NSMutableArray class]) {
        return GetPlaceholderForNSMutableArray()
    }
}
// __NSPlacehodlerArray实现
- (id)init
{
    if (self == GetPlaceholderForNSArray()) {
        self = [[__NSArrayI alloc] init];
    }
    else if (self == GetPlaceholderForNSMutableArray()) {
        self = [[__NSArrayM alloc] init];
    }
    return self;
}

Foundation不是开源的，所以上面的代码是猜测的，思路大概就是这样，可以这样验证下：

id obj1 = [NSArray alloc]; 
id obj2 = [NSArray alloc];
id obj3 = [NSMutableArray alloc];
id obj4 = [NSMutableArray alloc];
// 1和2地址相同，3和4地址相同，无论多少次都相同，且地址相差16位

静态不可变空对象

除此之外，Foundation对不可变版本的空数组也做了个小优化：

NSArray *arr1 = [[NSArray alloc] init];
NSArray *arr2 = [[NSArray alloc] init];
NSArray *arr3 = @[];
NSArray *arr4 = @[];
NSArray *arr5 = @[@1];

上边1-4号都指向了同一个对象，而arr5指向了另一个对象。
若干个不可变的空数组间没有任何特异性，返回一个静态对象也理所应当。
不仅是NSArray，Foundation中如NSString, NSDictionary, NSSet等区分可变和不可变版本的类，空实例都是静态对象（NSString的空实例对象是常量区的@""）

所以也给用这些方法来测试对象内存管理的同学提个醒，很容易意料之外的。

References

https://developer.apple.com/library/ios/documentation/general/conceptual/CocoaEncyclopedia/ClassClusters/ClassClusters.html
http://iphonedevwiki.net/index.php/Foundation.framework/Inheritance_hierarchy