OC对象原理（二）— isa指针详解

OC是一门面向对象的语言，上篇文章我们讲解了对象创建alloc的流程，知道了每个对象都有一个isa指针，那么我们接着上篇文章详细讲解一下isa初始化过程、isa内部结构和isa指向分析。

isa的初始化

通过上篇文章知道isa的初始化都会调用initisa方法，如下：

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    assert(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
        isa.cls = cls;
    } else {
        assert(!DisableNonpointerIsa);
        assert(!cls->instancesRequireRawIsa());

        isa_t newisa(0); //创建isa

#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;
    }
}

• isTaggedPointer
  taggedPointer是苹果用来优化一些小的对象的，把对象的值存在了对象指针里，优化了内存和读取速度，详细请看 文章。
• nonpointer
isa有两种类型，一种是纯指针类型，一种是除了内存地址，还包含其他一些信息，就是NON_POINTER_ISA类型的isa。如果是纯指针类型的直接赋值cls。如果不是纯指针类型需要初始化一个新的isa对象，isa初始化的时候给bits、has_cxx_dtor、shiftcls赋值，shiftcls存储的是cls信息，isa也是在这里关联到类的。
• SUPPORT_INDEXED_ISA
  表示 isa_t 中存放的 Class 信息是 Class 的地址，还是一个索引(根据该索引可在类信息表中查找该类结构地址)。经测试，iOS 设备上 SUPPORT_INDEXED_ISA 是 0。

isa的结构

//isa结构
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
};

可以看出isa是一个联合体，包含了cls和bits，因为是联合体，cls和bits不会被同时赋值。cls存储的是对象的类信息，即!nonpointer直接设置cls。bits则是一个位域ISA_BITFIELD，ISA_BITFIELD结构如下：

# 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)

# 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)

ISA_BITFIELD的结构和系统有关，我们调试的环境是x86。ISA_BITFIELD的结构也就代表了isa的内部结构分布。

• ISA_MASK:
  掩码。作用通俗的讲就是显示该显示的内容。
• 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、对象的引用计数等。
• 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, 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 架构中有 33 位用来存储类指针。x86下是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。
• weakly_referenced:
  标志对象是否被指向或者曾经指向一个 ARC 的弱变量，没有弱引用的对象可以更快释放。
• deallocating:
  标志对象是否正在释放内存。
• 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。
• 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， 则需要使用到上面的 has_sidetable_rc。
  通过isa的结构信息，我们也了解到了isa里主要存储了哪些对象信息。
  验证shiftcls

x/4gx十六进制输出对象内存前四个8字节内存，4代表前4个。
p/t二进制输出。
p/d十进制输出。
p/o八进制输出。
p/x十六进制输出。
>>3<<3 先右移三位，再左移三位。相当于把最右边三位删除，变为0。

从上图可以看出person对象的类信息存储在了isa的4->47位内存中，即shiftcls。

isa的指向分析

其实object_getClass方法是通过掩码ISA_MASK来获取对象的类信息的。

//object_getClass获取对象类信息，最终会进入到这里
inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    assert(!isTaggedPointer()); 
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    if (isa.nonpointer) {
        uintptr_t slot = isa.indexcls;
        return classForIndex((unsigned)slot);
    }
    return (Class)isa.bits;
#else
    //通过掩码获取isa的类信息
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
#endif
}

我们也可以通过ISA_MASK追踪一下isa的指向。
首先，我们创建LGPerson和LGTeacher两个类，其中LGTeacher继承与LGPerson，LGPerson继承与NSObject。

创建类 创建LGTeacher对象，打断点。
断点 isa指向流程分析
isa指向分析
isa的指向和superclass指向流程图
isa&superClass指向图

总结

• isa在初始化的时候关联到类。
• isa本身是一个联合体；nonpointer类型的isa包含了一个位域，除了分配类信息外，还有一些其他的对象信息；位域的内存分配和环境有关。
• isa的指向：实例对象→类→类的元类→NSObject的元类→NSObject的元类。