iOS-底层原理 07：isa与类关联的原理

2020-09-10  本文已影响0人  Style_月月

iOS 底层原理 文章汇总

本文的主要目的是理解类与isa是如何关联的

在介绍正文之前，首先需要理解一个概念：OC对象的本质是什么？

OC对象本质

在探索oc对象本质前，先了解一个编译器：clang

Clang

探索对象本质

@interface LGPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end

@implementation LGPerson
@end

//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
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 

//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;
};

如下图所示


clang编译后的LGPerson

通过上述分析，理解了OC对象的本质，但是看到NSObject的定义，会产生一个疑问：为什么isa的类型是Class?

总结

所以从上述探索过程中可以得出：

objc_setProperty 源码探索

除了LGPersong的底层定义，我们发现还有属性 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。

编译后的set方法

可以通过以下步骤来一步步解开 objc_setProperty的底层实现

总结

通过对objc_setProperty的底层源码探索，有以下几点说明：

下图是上层、隔离层、底层之间的关系


上层、隔离层、底层之间的关系

cls 与 类 的关联原理

在在iOS-底层原理 02：alloc & init & new 源码分析与iOS-底层原理 05：内存对齐原理中分别分析了alloc中3核心的前两个，今天来探索initInstanceIsa是如何将cls与isa关联的

在此之前，需要先了解什么是联合体，为什么isa的类型isa_t是使用联合体定义

联合体（union）

构造数据类型的方式有以下两种：

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

isa的类型 isa_t

以下是isa指针的类型isa_t的定义，从定义中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
};

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

从isa_t的定义中可以看出：

针对两种不同平台，其isa的存储情况如图所示

isa存储情况

原理探索

inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());
    //初始化isa
    initIsa(cls, true, hasCxxDtor); 
}

验证 isa指针 位域（0-64）

根据前文提及的0-64位域，可以在这里通过initIsa方法中证明有isa指针中有这些位域（目前是处于macOS，所以使用的是x86_64）

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 方法

所以isa中通过初始化后的成员的值变化过程，如下图所示

isa成员值变化过程

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：通过 isa & ISA_MSAK

方式三：通过 object_getClass

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，有以下几步：

object_getClass(<#id  _Nullable obj#>)

方式四：通过位运算

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