iOS-底层原理7：isa与类关联的原理

2020-11-16 本文已影响0人 AcmenL

问题

OC对象的本质到底是什么？里面到底是什么结构呢？

探索

在探索oc对象本质前，先了解一个编译器：clang

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观察底层的一些结构及实现的逻辑，方便理解底层原理。

操作指令

//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

代码分析

Step1: 在main中自定义一个类LBHPerson，有一个属性name

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

@implementation LBHPerson
@end

step2:打开终端，cd到main.m的文件夹，输入clang指令： clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 将main.m编译成 main.cpp

step3:找到main.cpp中LBHPerson定义相关的代码

//LGPerson的底层编译
struct LBHPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_name;
};

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

可以直接搜索定义的类名，如：LBHPerson
为了保证在.cpp中找到的代码是对的，可以在LBHPerson类中添加属性重新转成cpp代码，然后比较两份cpp代码，找到类定义的正确的c++代码

总结:

OC对象的本质是结构体，每一个结构体都有一个Class isa

探究属性get、set方法

isa

从C++源码中得知类中存在一个isa，那么isa又是什么？有什么作用呢？

objc4源码分析

通过alloc --> _objc_rootAlloc --> callAlloc --> _objc_rootAllocWithZone --> _class_createInstanceFromZone方法路径，查找到initInstanceIsa

step1:在objc4源码中找到initInstanceIsa函数

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

step2:进入initIsa函数

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;
    }
}

方法不要找错，找到对应方法名和参数的函数

在initIsa()函数里面，如果是!nonpointer, 通过初始化函数isa_t((uintptr_t)cls)并赋值给isa，否则新建isa_t,并对isa_t的位域里面的变量进行赋初始值

step3:进入isa_t，如果无法跳转进入，则直接全局搜索

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
};

这个出现一个新的类型union，联合体。

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。

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

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_t

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。

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有默认值

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

名称	内容	长度	说明
`nonpointer`	`表示自定义的类等`	1	`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（自定义的类nonpointer为1）
`has_assoc`	`关联对象标志`	1	`0`：没有关联对象 `1`：存在关联对象
`has_cxx_dtor`	`该对象是否有C++/OC的析构器（类似于dealloc）`	1	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
`shiftcls`	`存储类的指针的值（类的地址）`	`arm64`中占`33`位 `x86_64`中占`44`位
`magic`	判断当前对象是`真的对象`还是`没有初始化的空间`	6
`weakly_refrenced`	指对象`是否被指向` 或者 `曾经指向一个ARC的弱变量`	1	没有弱引用的对象可以更快释放
`deallocating`	对象`是否正在释放内存`	1
`has_sidetable_rc`	当对象引用计数大于10时，则需要借用该变量存储进位	1
`extra_rc`	表示该`对象的引用计数值`	`arm64`中占`19`位 `x86_64`中占`8`位	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 `has_sidetable_rc`