iOS开发底层探究之路

iOS底层 - isa与类关联的原理

2020-09-13  本文已影响0人  Lcr111

iOS开发底层探究之路

isa 与类关联原理探究

在探究isa之前，先要理清一个概念：对象是什么？对象的本质是什么？
首先来了解一下Clang：

Clang是由Apple主导编写，是一个C语言、C++、Objective-C语言的轻量级编译器。

因为Objective-C是C、C++的超集，所以想要看到OC底层源码结构，我们需要借助Clang 编译器来查看底层实现。

1.对象的本质探究

创建工程，在main.m中添加LGPerson 类，如下图：


探究对象本质

打开终端，定位到当前main.m文件位置，在终端输入clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp，可以看到在main.m文件位置发现多了一个main.cpp文件：

终端生成main.cpp文件

打开main.cpp 文件，查找我们的LGPerson，如下所示：

main.cpp中的LGPerson是啥？ 
//NSObject的定义
@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

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

//LGPerson的底层编译
struct LGPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; // 等效于 Class isa;
    NSString *_name;
};

总结

2.objc_setProperty 探究

上面所展示的main.cpp中LGPerson相关信息中，我们还看到属性变量name的set和get方法，如下图所示：

属性的get与set
可以看到，set方法是通过Runtime 中的objc_setProperty方法实现的。
现在我们来看看这个objc_setProperty是如何一步一步实现的：

通过查看objc_setProperty方法的实现，发现上层属性的set方法到底层的set方法经过objc_setProperty方法处理之后，已经失去了痕迹，只是带进来了每个set方法特有的_cmd，可想而知，objc_setProperty就是上层set和下层set的一个中间关联层。

3. isa类型isa_t分析

在分析isa_t之前我们先了解一下联合体和结构体的区别：

结构体

结构体是指把不同的数据组合成一个整体，其变量是共存的，变量不管是否使用，都会分配内存。

联合体

联合体也是由不同的数据类型组成，但其变量是互斥的，所有的成员共占一段内存。而且共用体采用了内存覆盖技术，同一时刻只能保存一个成员的值，如果对新的成员赋值，就会将原来成员的值覆盖掉。

两者的区别

下面我们就来分析分析isa到底是啥：

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
};

isa的类型isa_t上图所示，是一个union联合体。使用联合体的原因，是为了节省内存，这里的内存优化是指在isa指针中通过char + 位域（即二进制中每一位均可表示不同的信息）。

4.isa初始化探究

下面我们就来看看isa_t类型的isa初始化情况，跟踪源码alloc底层实现我们来到initInstanceIsa方法，

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

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

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

        isa_t newisa(0);//通过 

#if SUPPORT_INDEXED_ISA  //  0 
        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  //进入下面代码 
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;  //初始化 bits 信息
        // 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;//初始化 shiftcls信息
#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;
    }
}

initIsa 方法就是通过两种不同的初始化方式来初始化isa,根据nonpointer来判断。

5.isa与类的关联

调试跟踪上图的isa初始化过程,可以分析处isa是如何一步一步与类关联起来的,首先打下断点，一步一步调试：


5.1 isa初始化调试

断点p打印结果分别为：

(lldb) p newisa
(isa_t) $0 = {
  cls = nil
  bits = 0
   = {
    nonpointer = 0
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 0
    shiftcls = 0
    magic = 0
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}
(lldb) p newisa
(isa_t) $1 = {
  cls = 0x001d800000000001
  bits = 8303511812964353
   = {
    nonpointer = 1
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 0
    shiftcls = 0
    magic = 59
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}
(lldb) p newisa
(isa_t) $2 = {
  cls = LGPerson
  bits = 8303516107940081
   = {
    nonpointer = 1
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 0
    shiftcls = 536871966
    magic = 59
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}

三步打印结果为下图所示：


5.2 isa初始化三部曲

综上所述，最后一个断点即isa初始化结束时，已经可以看出isa的cls即为LGPerson，且isa中的指针的shiftcls中存储了类的信息，那接下来我们可以通过几种方式验证一下：

1.通过initIsa方法中的newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;验证
2.通过isa指针地址与ISA_MSAK 的值 & 来验证
3.通过runtime的方法object_getClass验证
4.通过位运算验证

方式一：断点停在1位置，lldb命令p打印(uintptr_t)cls及 (uintptr_t)cls >> 3，然后继续停在断点3位置，p newisa发现此时isa中的shiftcls的值刚好与(uintptr_t)cls >> 3 相等，而且cls与LGPerson绑定上了。

拓展：

为什么在shiftcls赋值时需要类型强转？

因为内存的存储不能存储字符串，机器码只能识别0 、1这两种数字，所以需要将其转换为uintptr_t数据类型，这样shiftcls中存储的类信息才能被机器码理解， 其中uintptr_t是long

为什么需要右移3位？

主要是由于shiftcls处于isa指针地址的中间部分，前面还有3个位域，为了不影响前面的3个位域的数据，需要右移将其抹零。

方式二：回到_class_createInstanceFromZone方法中，我们在return obj前打下断点：


利用 x/4gx 获取当前obj的指针地址，然后进行& ISA_MASK 操作。

方式三：通过runtime的api，即object_getClass函数获取类信息
查看object_getClass函数 源码的实现：

Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

inline Class 
objc_object::getIsa() 
{
    if (fastpath(!isTaggedPointer())) return ISA();

    extern objc_class OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer;
    uintptr_t slot, ptr = (uintptr_t)this;
    Class cls;

    slot = (ptr >> _OBJC_TAG_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_SLOT_MASK;
    cls = objc_tag_classes[slot];
    if (slowpath(cls == (Class)&OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer)) {
        slot = (ptr >> _OBJC_TAG_EXT_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_EXT_SLOT_MASK;
        cls = objc_tag_ext_classes[slot];
    }
    return cls;
}

inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    if (isa.nonpointer) {
        uintptr_t slot = isa.indexcls;
        return classForIndex((unsigned)slot);
    }
    return (Class)isa.bits;
#else
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK); 
#endif
}

(Class)(isa.bits & ISA_MASK);， 强转 而且 此步还进行了 & 操作，这与方式二中的原理是一致的，获得当前的类信息

方式四：位运算
回到_class_createInstanceFromZone方法中，x/4gx打印此时obj的存储信息，此时isa中的shiftcls此时占44位（因为处于macOS环境

位运算验证方式
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