isa 底层结构分析
OC 对象的本质
在我们日常的开发中，会创建很多个自定义的对象，大部分是继承自 NSObject，但是具体到源码实现，就看不到了，怎么办呢？编译器 clang 就要登场了
Clang
- Clang 是一个有 Apple 主导编写，基于 LLVM 的 C/C++/Objective-C 的编译器
- 主要用于底层编译，将一些文件输出为
C++文件，可以更好的查看底层的结构以及实现逻辑
探索
在 main 函数中创建一个 LCPerson 类，添加 name 属性
@interface LCPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end
@implementation LCPerson
@end
- 打开终端，利用
clang将 main.m 编译出一份 main.cpp，命令如下
//1、将 main.m 编译成 main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp
//2、将 ViewController.m 编译成 ViewController.cpp（注意模拟器的路径）
clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot / /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.7.sdk ViewController.m
//以下两种方式是通过指定架构模式的命令行，使用xcode工具 xcrun
//3、模拟器文件编译
- xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp
//4、真机文件编译
- xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp
-
show in finder 找到编译好的 main.cpp，找到 LCPerson 的定义，发现 LCPerson 在底层会被编译为 struct 结构体
- LCPerson_IMPL 的第一个属性其实就是 isa，继承自 NSObject
- LCPerson 中的第一个属性 NSObject_IVARS 等效于 NSObject 中的 isa
struct LCPerson_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
NSString *_name;
};
再来看下 NSObject 的定义以及底层编译
//NSObject的定义
@interface NSObject <NSObject> {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}
//NSObject 的底层编译
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
通过以上源码可以得出，OC 对象的本质就是结构体
cls 与 类的关联
在alloc 源码分析 & init & new中分析了 alloc 中核心三步的前两个，下面来探索initInstanceIsa是如何将cls与isa关联的
联合体
构造数据类型的方式有两种：结构体（struct）和 联合体（union）
- 结构体
所有变量是共存的，不管用不用，都会分配内存。优点是容量大，包容性强；缺点是 struct 内存空间的分配是粗放的，所有属性都会分配内存，容易造成内存浪费
- 联合体
各变量是“互斥”的，所有的成员共占一段内存。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。优点是内存的使用更为精细灵活，节省内存空间，缺点是包容性弱
isa 的类型
源码中查看 isa_t 的定义，可以看出是通过联合体（union）定义的
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
};
从 isa_t 的定义源码可以看出
- 提供两个成员变量
cls和bits，这两个成员是互斥的 - 提供一个结构体定义的
位域，用于存储类信息及其他信息，结构体的成员ISA_BITFIELD，这是一个宏定义，有__arm64__和__x86_64__两个版本，分别对应 iOS 端 和 模拟器/Macos
# if __arm64__ //真机
# 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)
# elif __x86_64__ //模拟器/Mac os
# 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：表示是否对 isa 指针开启指针优化；0：纯 isa 指针，1：不止是类对象地址，isa 中包含了类信息、对象引用计数等
-
has_assoc：关联对象标志位，0 没有，1 存在
-
has_cxx_dtor：该对象是否有 C++ 或者 ObjC 的析构器，如果有析构函数，则需要做析构逻辑处理；如果没有，则可以更快的释放对象
-
shiftcls：存储类指针的值。开启指针优化的情况下，在 arm64 架构下有 33 位用来存储类指针
-
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
-
weakly_referenced：标志对象是否被指向或者曾经指向一个 ARC 的弱变量，没有弱引用的对象释放的更快
-
deallocating：标志对象是否正在释放内存
-
has_sidetable_rc：当对象弱引用计数大于 10 时，则需要借用该变量存储进位
-
extra_rc：表示该对象的引用计数值，实际上是引用计数值减1，（例如，如果对象的引用计数为 10，那么 extra_rc 为 9。如果引用计数大于10，则需要使用到下面的 has_sidetable_rc）
isa_t 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 + 位域的原理实现。isa 占用 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，提高性能
原理探索
下面进入 initInstanceIsa 的探索，首先查看它的源码实现
inline void
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());
initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}
initInstanceIsa 的源码实现中，主要是调用了 initIsa，继续跳到 initIsa 的源码
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;
}
}
源码主要是初始化 isa，两种方式
- 通过 cls 初始化
非nonpointer，存储着 Class、Meta-Class 对象的内存地址信息 - 通过 bits 初始化
nonpointer，进行一系列的初始化操作
验证
方式一：通过 isa & ISA_MASK
- 在 _class_createInstanceFromZone 源码中，
cls与isa关联完成 - 使用 lldb 命令
po查看是否绑定成功 - 绑定成功执行
x/4gx得到isa的地址 - 将
isa指针地址与上ISA_MASK 得出 LCPerson（⚠️ ISA_MASK 处于Mac os 与 真机 值是不同的）
方式二：通过位运算
- 在 _class_createInstanceFromZone 源码中，
cls与isa关联完成 - 使用 lldb 命令
po查看是否绑定成功 - 绑定成功执行
x/4gx得到isa的地址 - 当前类的信息存储在 isa 指针中，且 isa 中的 shiftcls 占44位（macOS 环境）
shiftcls 的位置在中间 44 位，需要通过位运算才能获取到类信息，即将高位的 17 位与低位的 3 位全部抹零处理
-
将 isa 的地址右移 3 位，得到一个 16 进制的地址
-
再将得到的地址左移 20 位（因为需要在上一步右移3位的时候，最高三位需要补 0 处理，才能满足 64 位，所以 shiftcls 高位抹零真正的需要 20 位）
-
还原 shiftcls 的位置，即左移 17 位（3-20+17）
-
获取 cls 的地址 与 上面的进行验证 ：p/x cls 也得出0x00000001000020e8，所以由此可以证明 cls 与 isa 是关联的
