OC 对象原理探索（三）：对象的本质 & isa

1. 联合体、位域

1.1 结构体

先看下面的代码：

struct SSLCar {
    BOOL front;
    BOOL back;
    BOOL left;
    BOOL right;
}sslCar;

NSLog(@"sslCar：%lu",sizeof(sslCar));

打印结果：sslCar：4

我们看到一个SSLCar结构体是4个字节，也就是32位（0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000），而SSLCar结构体中4个BOOL值只需要4位（1111）就可以存储，这造成了非常大的空间浪费。

1.2 位域

通过位域指定每个成员变量占1位：

struct SSLCar2 {
    BOOL front: 1;
    BOOL back : 1;
    BOOL left : 1;
    BOOL right: 1;
}sslCar2;

NSLog(@"sslCar2：%lu",sizeof(sslCar2));

打印结果：sslCar2：1

此时内存空间已经得到了不错的优化。

1.3 联合体

创建联合体：

union SSLPerson {
    char *name;
    int  age;
};

为联合体赋值，并打印：

image

通过打印结果，发现联合体只有后赋值的变量才有值。

1.4 结构体和联合体的区别

结构体(struct)中所有变量是“共存”的——优点是“有容乃大”，全面；缺点是struct内存空间的分配是粗放的，不管用不用，全分配。

联合体(union)中是各变量是“互斥”的——缺点就是不够“包容”; 但优点是内存使用更为精细灵活，也节省了内存空间。

2. 对象本质

在main.m中添加如下代码：

@interface SSLPerson : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *sslName;

@end

@implementation SSLPerson

@end


int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        
    }
    return 0;
}

通过clang命令编译main.m（更多clang信息点这里）：

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

得到main.cpp文件，在main.cpp中我们可以看到有关对象的信息：

typedef struct objc_class *Class; // 7658行

struct objc_object { // 7661 行
    Class _Nonnull isa __attribute__((deprecated));
};

typedef struct objc_object *id; // 7666行

typedef struct objc_object SSLPerson; // 111788行

struct SSLPerson_IMPL { // 111793行
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_sslName;
};

由此我们可以得出，对象是一个objc_object类型的结构体，内部有一个Class类型的isa指针。

打开源码，查看objc_object：

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
    ...
}

3. isa 结构分析

我们在 OC 对象原理探索（一） 中，提到过obj->initIsa(cls)，它的作用是将指针和类进行关联，下面我们用源码进行详细的分析。

initIsa函数：

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls)
{
    initIsa(cls, false, false);
}

objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) {
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    isa_t newisa(0); // isa初始化

    if (!nonpointer) {
        newisa.setClass(cls, this);//如果是纯指针 isa被直接cls赋值
    } else { 
       ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
       ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
        ASSERT(cls->classArrayIndex() > 0);
        newisa.bits = ISA_INDEX_MAGIC_VALUE;
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();
#else   
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
#   if ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
#   endif
        newisa.setClass(cls, this);
#endif
        newisa.extra_rc = 1;
    }
    isa = newisa;
}

点击查看isa_t;

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
};

点击查看ISA_BITFIELD：

# 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)

看一下isa的内存分布图：

image

• 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。
• 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。
• extra_rc：表示该对象的引用计数值，如果不够存储，has_sidetable_rc的值就会变为 1；
• has_sidetable_rc：如果为1，代表引用计数过大无法存储在isa中，那么超出的引用计数会存储在SideTable的RefCountMap中。所以，如果isa是nonpointer，则对象的引用计数存储在它的isa_t的extra_rc中以及SideTable的RefCountMap中。

总结：

• isa分为nonpointer类型和非nonpointer类型。非nonpointer类型是一个纯指针，nonpointer类型还包含了引用计数、关联对象等信息。
• isa采用联合体+位域的方式存储信息。因为在iOS中万物皆对象，对象中都用到了isa，这样可以大大的节省内存空间。

4. isa 关联类

先创建一个SSLperson类，初始化[SSLPerson alloc]，在initIsa函数中断点调试：

image.png

如上图，创建了一个联合体newisa，里边的变量目前都是0，没有赋值。

继续向下运行：

image.png

如上图，newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE，ISA_MAGIC_VALUE是一个宏
=0x001d800000000001。被赋值的变量有bits=8303511812964353，cls=0x001d800000000001，nonpointer=1，magic=59。转化成二进制表示：

image.png

• 0x001d800000000001=8303511812964353，它们的二进制表示相同。
• nonpointer的二进制表示是1，magic的二进制表示是111011，它们包含在bits的二进制表示中。

断点进入setClass：

image.png

• 这里，isa和SSLPerson类进行了关联。
• 目前是nonpointer，所以并不会给cls赋值。
• SSLPerson的类地址>>3进行10进制转换，然后赋值给shiftcls。
  • 为什么要右移3位呢，因为shiftcls在isa中是从第四位开始存储的，这样isa & ISA_MASK才能得到准确的类地址。

继续向下运行：

image.png
image.png

• shiftcls，extra_rc也被成功赋值。
• 这里我一直有个疑惑cls明明没有被赋值，为什么却是SSLPerson呢，而且联合体也应该会把cls覆盖掉才对，所以我后期有做了一个调试：
  • image.png
  • 打印了cls的值，它确实是整个isa的值，至于为什么显示SSLPerson，应该是系统做了处理。

到此，isa和类关联的探索基本完成，以后如有更深入理解会持续更新。