[iOS] isa与类关联的原理

在开始之前，首先要理解一个概念：OC 对象的本质是什么？

1. OC 对象本质

1.1 Clang介绍

Clang是一个由 Apple 主导编写，基于 LLVM 的 C/C++/OC的编译器
用于底层编译，将一些文件输出成 c++文件，例如 main.m 输出成 main.cpp

1.2 探究对象本质

• 新建一个 Test 类，继承 NSObject，有一个属性name：

@interface Test : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *name;

@end

@implementation Test

@end

• 使用 clang 命令将Test.m编译成Test.app：

clang -rewrite-objc test.m -o test.cpp

如果出现fatal error: 'UIKit/UIKit.h' file not found的错误，使用：

clang -x objective-c -rewrite-objc -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator.sdk test.m

• 查看 test.cpp 文件
  打开编译好的 test.cpp文件，找到 Test 的定义，发现 Test 在底层会被编译成 struct 结构体:

// Test的底层编译
struct Test_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString * _Nonnull _name;
};

//NSObject的定义
@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

//NSObject 的底层编译
struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

Test_IMPL中第一个属性NSObject_IVARS，等效于NSObject 中的 isa，是继承自 NSObject，属于伪继承(直接将 NSObject 结构体定义为 Test 中的第一个属性)，意味着 Test 拥有 NSObject 中的所有成员变量。

通过上述分析，理解了对象的本质，其实就是一个结构体，但是看到 NSObject 的定义，会产生一个疑问：为什么 isa 的类型是 Class ?

1.4 isa类型

• 在探究alloc底层原理的时候，提到过alloc方法的核心之一的initInstanceIsa方法，通过看这个方法的源码实现，我们发现，在初始化 isa 指针时，是通过 isa_t 类型来初始化的。

• 而在 NSObject 定义中的 isa 的类型是 Class，其根本原因是由于 isa 对外反馈的是类信息，为了让开发者更加清晰明确，在 isa 返回时做了一个类型强制转换：

  
  image.png

1.5 小结

从上述探索过程中可以得出：

• OC 对象本质其实就是结构体
• Test 中的 isa 是继承自 NSObject 中的 isa

2. objc_setProperty

2.1 objc_setProperty 源码探索

除了 Test 的底层定义，我们还发现了属性name对应的 set 和 get 方法，如下图所示，其中 set 方法的实现依赖于 runtime 中的objc_setProperty：

image.png

• 我们通过 objc 源码全局搜索objc_setProperty，找到 objc_setProperty 的源码实现：

void objc_setProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, id newValue, BOOL atomic, signed char shouldCopy) 
{
    bool copy = (shouldCopy && shouldCopy != MUTABLE_COPY);
    bool mutableCopy = (shouldCopy == MUTABLE_COPY);
    reallySetProperty(self, _cmd, newValue, offset, atomic, copy, mutableCopy);
}

• 进入 reallySetProperty 的源码实现，其方法的原理就是新值 retain，旧值 release:

  
  image.png

2.2 小结

通过对objc_setProperty的底层源码探索，有以下几点说明：

• objc_setProperty方法的目的适用于关联上层的 set 方法以及底层的 set 方法，其本质就是一个接口
• 这么设计的原因是，上层的 set 方法很多，如果直接调用底层 set 方法，会产生很多临时变量

• 苹果采用了适配器设计模式(将底层接口适配为客户端需要的接口)，对外提供一个接口，供上层的 set 方法使用，对内调用底层的 set 方法，使其互不影响，即无论上层怎么变，下层都是不变的，或者下层的变化也无法影响上层，主要是达到上下层接口隔离的目的：

  
  image.png

3. cls 与 类关联的原理

还是探索 initInstanceIsa是如何将 cls 和 isa 关联的，首先需要了解下联合体，为什么 isa 的类型 isa_t 使用联合体定义

3.1 联合体(union)

结构体

这个我们很熟悉，把不同的数据组合成一个整体，其变量时共存的，变量不管是否使用，都会分配内存

• 缺点：所有变量都分配内存，比较浪费内存，假如有 4 个 int 成员，一共分配了 16 字节的内存，但是在使用时，只用了 4 个字节，剩余的 12 个字节就很浪费
• 优点：存储容量较大，包容性强，不会相互影响

联合体

联合体也是由不同的数据类型组成，但其变量时互斥的，所有成员共占一段内存，而且联合体采用了内存的覆盖技术，同一时刻只能保存一个变量的值，如果对新的成员赋值，就会将原来成员的值覆盖掉

• 缺点：包容性弱
• 优点：所有成员共用一段内存，使内存的使用更为精细灵活，同时也节省了内存空间

两者的区别

• 内存占用情况
  结构体的各个成员会占用不同的内存，互不影响，联合体的所有成员共用一段内存，修改一个成员会影响其余所有成员

• 内存分配大小
  结构体内存 >= 所有成员占用的内存总和
  联合体占用的内存等于最大成员占用的内存

3.2 isa 的类型 isa_t

下面是 isa 指针的类型 isa_t联合体的定义：

union isa_t { // 联合体
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
  // 提供了 cls 和 bits，两者是互斥关系
    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

isa_t类型使用联合体的原因也是基于内存优化的考虑，这里的内存优化是指在 isa 指针中通过 char + 位域 (即二进制中每一位或者多位均可表示不同的信息) 的原理实现。

通常，isa 指针占用的内存大小是 8 字节，即 64 位，已经足够存储很多的信息了，这样可以极大的节省内存，以提高性能。

从上面 isa_t的定义中可以看出：

• cls 和 bits是互斥的，说明isa 指针初始化方式有两种：通过 cls 或者 bit 初始化

• 还有一个结构体定义的位域，用于存储类信息以及其他一些信息，如下：

  
  image.png

1. nonpointer 有两个值，表示自定义的类等，占 1 位

• 0：纯 isa 指针
• 1：不只是类对象地址，isa 中包含了类信息、对象的引用计数等

2. has_assoc表示关联对象标志位，占 1 位

• 0：没有关联对象
• 1：有关联对象

3. has_cxx_dtor 表示该对象是否有C++/OC的析构器（类似于dealloc），占1位

• 如果有析构函数，则需要做析构逻辑
• 如果没有，则可以更快的释放对象

4. shiftcls表示存储类的指针的值（类的地址）， 即类信息

• arm64中占 33位，开启指针优化的情况下，在arm64架构中有33位用来存储类指针
• x86_64中占 44位

5. magic 用于调试器判断当前对象是真的对象 还是 没有初始化的空间，占6位

6. weakly_refrenced是指对象是否有弱引用

• 释放前需要释放弱引用指针

7. deallocating 标志对象是是否正在释放内存

8. has_sidetable_rc表示 当对象引用计数大于10时，则需要借用该变量存储进位

9. extra_rc（额外的引用计数） --- 表示该对象的引用计数值，实际上是引用计数值减1

• 如果对象的引用计数为10，那么extra_rc为9

针对两种不同平台，其isa的存储情况如图所示： image.png

3.3 initInstanceIsa 源码探索

• 直接到initInstanceIsa的源码实现：

inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

• 进入 initIsa 方法的源码实现，主要是初始化 isa 指针

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) { // isa 通过 cls 初始化
        isa = isa_t((uintptr_t)cls); // 初始化
    } else { // 通过 bits 初始化
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());

        isa_t newisa(0); // 初始化

#if SUPPORT_INDEXED_ISA
        ASSERT(cls->classArrayIndex() > 0);
        newisa.bits = ISA_INDEX_MAGIC_VALUE; 
        // isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
        // isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();
#else
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE; //
        // isa.magic is part of ISA_MAGIC_VALUE
        // isa.nonpointer is part of ISA_MAGIC_VALUE
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
#endif

        // This write must be performed in a single store in some cases
        // (for example when realizing a class because other threads
        // may simultaneously try to use the class).
        // fixme use atomics here to guarantee single-store and to
        // guarantee memory order w.r.t. the class index table
        // ...but not too atomic because we don't want to hurt instantiation
        isa = newisa;
    }
}

该方法的逻辑主要分为两部分：

• 通过 cls 初始化 isa
• 通过 bits 初始化 isa

3.4 isa与类的关联

cls 与 isa 关联的原理就是 isa 指针中的 shiftcls 位域中存储了类信息，其中initInstanceIsa的过程是将 calloc 指针 和当前的 类cls 关联起来。