iOS - isa 和 类的关系探索
我们使用的所有对象的都是继承至NSObject, 你是否会探索下NSObject到底是啥？
点进去可以看到出了方法之外只有一个变量 Class isa
@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
点击 Class可以可以发现是结构体objc_class
#if !OBJC_TYPES_DEFINED
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
#endif
继续点击objc_class可以发现定义的方式, 发现继承至 objc_object， 通过上面定义的 objc_object结构体可以看到只有一个 isa变量
struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache; // formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits;
....
}
通过objc4源码中找到定义结构体 objc_object, 可以发下也只有一个私有的变量 isa, 那么isa到底是什么呢？或者说 干了什么
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
public:
// ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
Class ISA();
// rawISA() assumes this is NOT a tagged pointer object or a non pointer ISA
Class rawISA();
// getIsa() allows this to be a tagged pointer object
Class getIsa();
. . .
}
接续查找 isa_t发现定义 isa类型的结构是一个联合体（union 也称为共用体）
这里补充下知识点 结构体 和 联合体
构造数据类型的方式分为两种方式：
- 结构体 （struct）
- 联合体 （union, 也称为共用体）
1. 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。
【缺点】：所有属性都分配内存，比较浪费内存，假设有4个int成员，一共分配了16字节的内存，但是在使用时，你只使用了4字节，剩余的12字节就是属于内存的浪费
【优点】：存储容量较大，包容性强，且成员之间不会相互影响
2. 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
【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，互相之间没有影响
- 共用体的所有成员占用同一段内存，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（成员之间可能会有缝隙）
- 共用体占用的内存等于最大的成员占用的内存
isa 的类型 isa_t
通过联合体 (union)定义的 isa_t类型， 其中 cls 和 bits是互斥的，可以通过前面分析alloc & init探索 中查看具体赋值。 其中 cls存储具体的类， bits存放类的具体信息。
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_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（即二进制中每一位均可表示不同的信息）的原理实现。通常来说， 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。
bits存放的类的更多信息可以通过 宏定义 ISA_BITFIELD中查看
--------------- arm64 架构 ----------------
# if __arm64__
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
# define ISA_MAGIC_MASK 0x000003f000000001ULL
# define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
# define ISA_BITFIELD \
uintptr_t nonpointer : 1; \
uintptr_t has_assoc : 1; \
uintptr_t has_cxx_dtor : 1; \
uintptr_t shiftcls : 33; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000*/ \
uintptr_t magic : 6; \
uintptr_t weakly_referenced : 1; \
uintptr_t deallocating : 1; \
uintptr_t has_sidetable_rc : 1; \
uintptr_t extra_rc : 19
# define RC_ONE (1ULL<<45)
# define RC_HALF (1ULL<<18)
--------------- x86_64 架构 ----------------
# elif __x86_64__
# define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL
# define ISA_MAGIC_MASK 0x001f800000000001ULL
# define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
# define ISA_BITFIELD \
uintptr_t nonpointer : 1; \
uintptr_t has_assoc : 1; \
uintptr_t has_cxx_dtor : 1; \
uintptr_t shiftcls : 44; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x7fffffe00000*/ \
uintptr_t magic : 6; \
uintptr_t weakly_referenced : 1; \
uintptr_t deallocating : 1; \
uintptr_t has_sidetable_rc : 1; \
uintptr_t extra_rc : 8
# define RC_ONE (1ULL<<56)
# define RC_HALF (1ULL<<7)
-
nonpointer ：表示优化的指针, 看这个Tagged Pointer 优化轻量级的内存，代表优化的指针， nonpointer
·0: 代表普通的指针（纯isa指针），存储着Class、Meta-Class对象的内存地址
·1: 代表优化过，包含了类的一些信息、对象的引用计数等 -
has_assoc ：表示 对象含有或者曾经含有关联引用(关联对象)，没有关联引用的可以快速释放内存。 -
has_cxx_dtor ：表示当前对象是否有C++或者Objc的析构器（类似于dealloc， dispose）, 如果没有析构器就会快速释放内存 -
shiftcls ：存储着Class、Meta-Class对象的内存地址信息，即类的信息，
· 其中在arm64架构下占用 33 位，在x86_64中占用44位 -
magic ：用于在调试时分辨对象是否初始化，占用 6 位 -
weakly_referenced ：是否有被弱引用指向过，如果没有，释放时会更快。
· 指对象是否被指向或者曾经指向一个ARC的弱变量 -
deallocating ：对象是否正在释放 -
has_sidetable_rc ：如果是1对象的引用计数太多了，存不下了，
· 如果为1 ,引用计数器过大无法存储在isa中
· 那么引用计数会存储在一个叫SideTable (散列表)的类的属性中 -
extra_rc ：额外引用计数，如果has_sidetable_rc为 1，会存储在这个里面
· 里面存储的值是引用计数器减1
· 如果对象的引用计数为10，那么extra_rc为9
image.png
image.png
注：上面分析的是在arm64架构下的shiftcls占33位，在x86_64下构下shiftcls占44位
isa 与 类 的关联
cls 与isa 关联原理就是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，有以下几种验证方式：
【方式一】通过initIsa函数中的newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3验证
【方式二】通过isa指针地址与ISA_MSAK 的值 & 来验证
【方式三】通过runtime的方法object_getClass验证
【方式四】通过位运算验证
方式一: 通过initIsa函数初始化赋值
inline void
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor)
{
ASSERT(!isTaggedPointer());
if (!nonpointer) {
isa = isa_t((uintptr_t)cls);
} else {
ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
isa_t newisa(0);
#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;
}
}
例如自定义类MGPerson初始化是也会调用 initIsa ()函数，接下来分析 isa和类的关系
image.png
在248行给isa的shiftcls赋值MGPerson类的，这里就是将 cls类 和 isa指针通过shiftcls位域关联，存储着类的信息
方式二: 通过 isa & ISA_MSAK
-
执行
x/4gx person得到isa指针的地址0x001d80010000145d -
将
isa指针地址 & ISA_MASK-
arm64中，ISA_MASK 宏定义的值为0x0000000ffffffff8ULL
-
x86_64中，ISA_MASK 宏定义的值为0x00007ffffffffff8ULL
-
image.png
方式三：通过 object_getClass 获取类和isa 关联
通过查看object_getClass的源码实现，同样可以验证isa与类关联的原理
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;
}
image.png
执行到174行会发现和方式二的原理一样，
方式四：通过位运算
-
其中
x/4gx person得到isa指针的地址 0x001d80010000145d -
上面分析isa的结构可知右移3位是
nonpointer，has_assoc ：，has_cxx_dtor ：，并没有存储类的信息， 所以抹去最后三位, 即右移3位 -
因为中间44位存储着类的信息（前面分析的x86_64 架构下isa）所以高 17位没有需要抹除，加上第一步右移3位， 一共需要左移20位
-
0x0002000028b00000 右移17位复原
shiftcls的位置， 等到最终的类的地址 -
执行打印 0x0000000100001458地址 等到
MGPerson类
image.png
