iOS底层探究-06：isa与类关联的原理

先来了解一个编译器：clang

• clang是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/OC的编译器

• 主要是用于底层编译，将一些文件输出成c++文件，例如main.m 输出成main.cpp，其目的是为了更好的查看底层的一些结构及实现的逻辑，方便理解底层原理

对象的本质是什么

• 在main中自定义一个类LCPerson，有一个属性name

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

@implementation LCPerson
@end

• 通过终端，利用clang将main.m编译成 main.cpp，有以下几种编译命令，这里使用的是第一种

//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 

• 可能会报如下图所示错误：

• 终端执行如下命令，完美解决：

clang -x objective-c -rewrite-objc -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator.sdk main.m

• 打开编译好的main.cpp，找到LCPerson的定义，发现LCPerson在底层会被编译成 struct 结构体

#ifndef _REWRITER_typedef_LCPerson
#define _REWRITER_typedef_LCPerson
typedef struct objc_object LCPerson;
typedef struct {} _objc_exc_LCPerson;
#endif

extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_LCPerson$_name;

// 定义的类在底层编译成了结构体
struct LCPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_name;
};

// @property (nonatomic, copy) NSString *name;
/* @end */


// @implementation LCPerson

// name的get方法
static NSString * _I_LCPerson_name(LCPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_LCPerson$_name)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);
// name的set方法
static void _I_LCPerson_setName_(LCPerson * self, SEL _cmd, NSString *name) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct LCPerson, _name), (id)name, 0, 1); }
// @end

结论：OC对象的本质 其实就是 结构体

objc_setProperty 源码探索

除了LCPerson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

• 在objc4-781中全局搜索 objc_setProperty，找到objc_setProperty的源码进行查看

• 进入reallySetProperty的源码，其原理就是retain新值，release旧值

通过对objc_setProperty的底层源码探索，有以下几点说明：

• objc_setProperty方法的目的适用于关联上层的set方法 以及 底层的set方法，其本质就是一个接口

• 这么设计的原因是，上层的set方法有很多，如果直接调用底层set方法中，会产生很多的临时变量，当你想查找一个sel时，会非常麻烦

• 基于上述原因，苹果采用了适配器设计模式（即将底层接口适配为客户端需要的接口），对外提供一个接口，供上层的set方法使用，对内调用底层的set方法，使其相互不受影响，即无论上层怎么变，下层都是不变的，或者下层的变化也无法影响上层，主要是达到上下层接口隔离的目的

下图是上层、隔离层、底层之间的关系

cls 与 类 的关联原理

在此之前，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（struct）
• 联合体（union，也称为共用体）

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。

• 优点：存储容量较大，包容性强，且成员之间不会相互影响

• 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

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

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

缺点：包容性弱

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

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 {
    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

从isa_t的定义中可以看出：

• 提供了两个成员，cls 和 bits，由联合体的定义所知，这两个成员是互斥的，也就意味着，当初始化isa指针时，有两种初始化方式

  • 通过cls初始化，bits 无默认值

  • 通过bits初始化，cls 无默认值

• 还提供了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，有两个版本 __arm64__（对应ios 移动端） 和 __x86_64__（对应macOS），以下是它们的一些宏定义，如下图所示

• nonpointer有两个值，表示自定义的类等，占1位

  • 0：纯isa指针
  • 1：不只是类对象地址，isa中包含了类信息、对象的引用计数等

• has_assoc表示关联对象标志位，占1位

  • 0：没有关联对象
  • 1：存在关联对象

• has_cxx_dtor表示该对象是否有C++/OC的析构器（类似于dealloc），占1位

  • 如果有析构函数，则需要做析构逻辑
  • 如果没有，则可以更快的释放对象

• shiftclx表示存储类的指针的值（类的地址）， 即类信息

  • arm64中占 33位，开启指针优化的情况下，在arm64架构中有33位用来存储类指针
  • x86_64中占44位

• 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，占6位

• weakly_refrenced是 指对象是否被指向 或者 曾经指向一个ARC的弱变量

  • 没有弱引用的对象可以更快释放

• deallocating 标志对象是是否正在释放内存

• extra_rc 表示该对象的引用计数值，实际上是引用计数值减 1

  • 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

• has_sidetable_rc表示 当对象引用计数大于10时，则需要借用该变量存储进位

针对两种不同平台，其isa的存储情况如图所示