《OC底层系列三》-对象和类的关联

2020-05-10 本文已影响0人 002and001

前言

我们都知道对象由类实例化而来，在上一篇《OC底层系列二》-对象中，我们知道对象是一个objc_object类型的结构体，类是一个objc_class类型的结构体，今天我们从底层来探究对象和类是如何建立关联。

0、简介

本文主要探索OC对象和类之间如何建立关联，并进行验证。

1、对象和类的定义

我们再从源码角度看看对象和类的定义

typedef struct objc_class *Class; // 类的定义
typedef struct objc_object *id;  // 对象的定义

1.1、objc_object

// objc-private.h

// objc_object 的实现
struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
以下是一些函数，省略
...
}

1.2、objc_class

// objc-runtime-new.h

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    class_rw_t *data() { 
        return bits.data();
    } 
// objc_class的部分方法代码省略不贴出来
}

从源码中我们看到objc_class继承自objc_object，说明了类也是一个对象， objc_class继承自objc_object，自然也就继承了objc_object的成员，则objc_class也拥有一个isa，由此我们推断对象和类的关联在于isa。

2、isa

// objc-private.h

// isa_t的定义，一个联合体，值为cls或者bits
union isa_t {
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

2.1、isa的初始化

objc_object中初始化isa方法源码如下，如下：

// objc_private.h

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:  
···
private:
    void initIsa(Class newCls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor);
···
}

// objc-object.h

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    assert(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
// 2.1.1
        isa.cls = cls;
    } else {
// 2.1.2
        assert(!DisableNonpointerIsa);
        assert(!cls->instancesRequireRawIsa());

        isa_t newisa(0);

#if SUPPORT_INDEXED_ISA
// 2.1.3
        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
// 2.1.4
        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;
    }
}

通常我们创建的OC对象都是nonpointer,所以会执行2.1.2，创建一个isa_t类型的newisa并初始化其成员bits为0。
SUPPORT_INDEXED_ISA定义如下，根据注释，其表示 isa_t 中存放的 Class 表示的是否为Class 的地址，是一个索引(根据该索引可在类信息表中查找该类结构地址)。

// objc-config.h

// Define SUPPORT_INDEXED_ISA=1 on platforms that store the class in the isa 
// field as an index into a class table.
// Note, keep this in sync with any .s files which also define it.
// Be sure to edit objc-abi.h as well.
#if __ARM_ARCH_7K__ >= 2  ||  (__arm64__ && !__LP64__)
#   define SUPPORT_INDEXED_ISA 1
#else
#   define SUPPORT_INDEXED_ISA 0
#endif

我们来分析一下SUPPORT_INDEXED_ISA宏定义的值，__ARM_ARCH_7K__，从名称上看其表示在 ARM 7k 架构 CPU 的代码中的标志宏，我们可以在LLVM 开源的ARM.cpp找到其定义：

// ARM.cpp

// Unfortunately, __ARM_ARCH_7K__ is now more of an ABI descriptor. The CPU
// happens to be Cortex-A7 though, so it should still get __ARM_ARCH_7A__.
if (getTriple().isWatchABI())
  Builder.defineMacro("__ARM_ARCH_7K__", "2");

通过注释和代码可以知道，这个值只有在iWatch下才会被定为2，换句话说__ARM_ARCH_7K__代表的是iWatch的宏。由此可知，在iPhone模拟器以及真机上__ARM_ARCH_7K__值为FALSE。
__arm64__表示是否采用arm64架构。在模拟器上为FALSE，真机上为TRUE。
__LP64__ 表示在64位机器上，如果int是32位，long是64位，pointer也是64位，那么该机器就是__LP64__。在模拟器上和真机上__LP64__为TRUE。
综上，ARM_ARCH_7K >= 2 || (arm64 && !LP64)
=FALSE || FALSE
=FALSE
所以SUPPORT_INDEXED_ISA的值为FALSE。
因此初始化isa方法走的是2.1.4

// 2.1.4
 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;

2.2、shiftcls

shiftcls的值是isa中cls的值右移三位得到，shiftcls存储类指针的值。根据shiftcls的宏定义，在 x86_64 架构有 44位用来存储类指针，arm64 架构中有 33位。

我们在x86_64（模拟器下）为研究，ISA_BITFIELD定义如下：

image.png
shiftcls的值为二进制的3~46位。
我们通过LLDB验证shitfcls是否存储着cls信息,添加如下代码并在NSLog处添加断点：

#import <Foundation/Foundation.h>
// Animal继承NSObject，没有添加任何成员
#import "Animal.h"

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        Animal *animal = [Animal alloc];
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

在控制台使用LLDB如下操作：

image.png
x/4gx 打印对象anmial的内存信息，以16进制格式打印4个8字节。其第一个8字节为isa。
p/t animal 将[animal class]的值以二进制格式输出。

格式化二进制如下：
// [animal class]
$0 = 0b 0000 0000 0000 0000 00   00 0000 0000 0001 0000 0000 0000 0000 0010 0000 1111 0   000
// isa
$2 = 0b 0000 0000 0001 1101 10   00 0000 0000 0001 0000 0000 0000 0000 0010 0000 1111 0   001

对上面打印结果格式化可以看到，[animal class]的3~46位和isa的3~46位位是一样的，验证了对象的关于类的信息是存在在isa中的shiftcls中。

3、[object class]方法分析

[animal class]中class的底层实现：

\\ objc-object.h
inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
// 3.1
    if (isa.nonpointer) {
        uintptr_t slot = isa.indexcls;
        return classForIndex((unsigned)slot);
    }
    return (Class)isa.bits;
#else
// 3.2
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
#endif
}

SUPPORT_INDEXED_ISA值为FALSE，所以走//3.2，返回(Class)(isa.bits & ISA_MASK);

// isa.h

define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL

4、通过LLDB验证对象和类如何关联

我们根据isa.bits & ISA_MASK使用LLDB进行验证，继续如下操作

image.png
$3即ISA_MASK的二进制表示，$6即(isa.bits &ISA_MASK)的结果，最后我们d打印$6的描述为Animal,验证完毕。

5、总结

对象的类信息存储在其isa中的的shiftcls中，对象和类的通过对象中的ias的shiftcls进行关联，class方法本质上返回的是isa的shiftcls，其底层实现通过isa.bit& ISA_MASK获取到shiftcls的值。
我们可以理解为类实例化的对象的isa指向该类。

6、TODO

OC对象的isa(其位域成员shiftcls)中的存着类的信息，OC类也是一个对象，那么OC类的isa(其位域成员shiftcls)存储着什么呢？
源码中objc-class有一个superclass，我们可以推测superclass代表当前类的父类，Animal的superclass应该为NSObject类，那么NSObjec类的superclass是什么？
这些我会在下一篇文章中继续探究。