OC底层原理 06: isa结构分析

主动已经是我对热爱东西表达的极限了

对象的本质？
联合体位域的简析？
isa的结构信息？
isa如何关联类？
通过位运算验证关联类
总结。

  • 什么是对象？
    对象在底层变成了什么呢？

  • 什么是Clang?

Clang是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/Objective-C编译器

  • 用Clang做些什么？

Clang 通过底层编译，将一些m文件编译为cpp。 因为OC为C++或者C的超集，通过Clang底层编译，可以更多的看到底层的实现原理与逻辑和底层的架构

  • 如何使用Clang?

Clang终端操作四种命令如下：

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 把目标文件编译成c++文件

`xcode`安装的时候顺带安装了`xcrun`命令，`xcrun`命令在`clang`的基础上进行了 一些封装，要更好用一些

xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp (模拟器)

xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp (手机)

Clang 具体操作请查看：后续

通过Clang编译查看类的底层是如何实现的，首先定义如下：

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

  @implementation LGPerson
  @end

  int main(int argc, const char * argv[]) {
      @autoreleasepool {
          // insert code here...
          NSLog(@"Hello, World!");    }
      return 0;
  }

找到已经编译好的main.cpp文件，搜索LGPerson，得到我想要的信息如下：

  #ifndef _REWRITER_typedef_LGPerson
  #define _REWRITER_typedef_LGPerson
  typedef struct objc_object LGPerson;
  typedef struct {} _objc_exc_LGPerson;
  #endif
  
  extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_LGPerson$_name;
  struct LGPerson_IMPL {
          struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
      NSString *_name;
  };

  // @property (nonatomic, copy) NSString *name;
  /* @end */
   // @implementation LGPerson
  static NSString * _I_LGPerson_name(LGPerson * self, SEL _cmd) { 
        return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_LGPerson$_name)); 
  }

  extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);

  static void _I_LGPerson_setName_(LGPerson * self, SEL _cmd, NSString *name) {
      objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct LGPerson, _name), (id)name, 0, 1);
  }
  // @end
  • 对象在底层会被编译为struct

那对象是如何被编译为结构体的呢？

我们知道结构体在C++可以继承，C可以伪继承

伪继承方式：
直接将NSObject结构体定义为LGPerson中的第一个属性，意味着LGPerson 拥有 NSObject中的所有成员变量。
LGPerson中的第一个属性 NSObject_IVARS 等效于 NSObject中的isa

这里将LGPerson_IMPL结构体中的第一属性命名为当前结构体，即LGPerson_IMPL拥有 NSObject中的所有成员变量。而NSObject_IVARS即isa

而LGPerson类中的name的get, set方法也是一一对应的：

main.cpp中类对应的get,set方法截图

而set方法调用了objc_setProperty，通过分析得出objc_setProperty采用工厂模式：return newValue, remove oldValue ；意味着任何类中的set方法都会执行了如下操作：

objc4_781源码中找到objc_setProperty查看如何执行操作get , set

继续分析isa结构，OC底层原理 结构体&联合体

  • isa结构分析：

在之前探索 OC底层原理 alloc & init & new 篇 时提到过initInstanceIsa方法，通过initInstanceIsa为切入点来分析isa是如何初始化的，可以看到isa指针的类型isa_t定义是通过联合体（union）来定义，联合体不清楚的小伙伴请参考：OC底层原理 结构体&联合体

union isa_t {
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

    Class cls; //这里返回的cls 为什么会是一个class类型？请查看后续
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

这里的isa_t为什么要定义成联合体呢？是为了优化内存，而isa指针占用的内存大小为8字节，即64位，已经能够存储大量信息了，这样可以节省内存空间，以提高性能的目的

而isa_t的定义中可以看出，
通过cls初始化，bits无默认值
通过bits初始化，cls有默认值
体现了联合体的互斥性

通过宏ISA_BITFIELD可以看出isa在iOS（ __arm64__）和macOS（__x86_64__）的计算是存在差异的

isa不同环境的差异化截图
  • isa的结构信息对应如下：

    • 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没有关联对象
      1存在关联对象

    • has_cxx_dtor:该对象是否有 C++ 或者 Objc 的析构器（类似于dealloc）
      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（类的地址）， 即类信息。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。
      在 __x86_64__ 架构中有 44 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: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:当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 has_sidetable_rc

更直观的isa的结构信息图如下：

isa结构对照表

通过 initIsa方法，查看 isa指针是如何被初始化的

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
        isa = isa_t((uintptr_t)cls);//isa初始化
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());

        isa_t newisa(0);  //isa初始化
#if SUPPORT_INDEXED_ISA  // !nonpinter 执行，即isa通过cls定义
        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 // bits 时执行的流程
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE; // bits进行赋值
        // 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; //isa与类关联
#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;
    }
}
  • initIsa方法主要使用：cls初始化isa,和bits初始化isa

执行代码，开始验证，以LGPerson为例：

对赋值newisa.bits赋值之后打印出newisa查看LLDB结果

p newisa 打印结果

  • 对赋值newisa.bits赋值会对cls进行追加；对cls赋值不会同时对bits进行赋值（联合体互斥性）

通过LLDB打印结果，在进行赋值的时候，bits中的magic会存在一个59呢？
使用计算器查看宏ISA_MAGIC_VALUE与59的2进制

为什么magic为59

magic的占位为6，从47～52表示magic的占位，所以magic的默认值为59，二进制表示；也可以理解为isa指针将magic的占位为6，转换为2进制存储

  • isa与类关联

当执行完如下代码后，LLDB打印出当前newisa，
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。而newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3 是将当前cls 强转为系统能够编译的0，1识别码。然后右移3位。之所以要移动3位，要知道shiftcls才是我们需要存储的类信息，从上面isa对照表中可以看出，前面三位并不是我们需要的类内容，需要右移3位进行抹0操作。

newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3; //isa与类关联
isa与类关联结果图

这个时候我们已经知道isa 与类 进行了关联。

  • 开始验证isa中的shiftcls是否真正的存储了当前类信息

将initInstanceIsa方法返回出去，然后开始验证：

  • 方式1. 通过isa指针地址与宏ISA_MSAK 的值 通过位运算& 来验证
      #   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL    //__x86_64__ 
  #   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL    //__arm64__
    LLDB 操作：po obj ,然后x/4gx LGPerson的地址 或者直接x/4gx，然后取LGPerson的isa地址指针 & 宏ISA_MASK，结果如下：
    位运算验证
  • 方式2. 使用位运算验证
    shiftcls存储在当前3～46位，
    向右移动3位，抹除0～2号位数据，
    向左移动20位，移除47～64号位的数据，
    向右移动17位，回到原来的shiftcls所在的存储位，直接取出，即LGPerson 类信息
    位运算操作截图
  • 方式3. 通过runtime的object_getClass来验证
    在main.m导入头文件#import <objc/runtime.h>，然后直接打印出当前的类也能够验证，这里就不打印了，直接去查看object_getClass的实现，
    object_getClass方法如下：
Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

我们进入getIsa方法继续查看，

inline Class 
objc_object::getIsa() 
{
    if (fastpath(!isTaggedPointer())) return ISA(); //直接return了当前isa

    extern objc_class OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer;
    uintptr_t slot, ptr = (uintptr_t)this;
    Class cls;

    slot = (ptr >> _OBJC_TAG_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_SLOT_MASK;
    cls = objc_tag_classes[slot];
    if (slowpath(cls == (Class)&OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer)) {
        slot = (ptr >> _OBJC_TAG_EXT_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_EXT_SLOT_MASK;
        cls = objc_tag_ext_classes[slot];
    }
    return cls;
}

继续查看ISA()做了哪些事情，

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; //直接返回
#else
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK); //这里与我们方式1做的操作是一样的
#endif
}

我们可以看出object_getClass的内部实现，也是采用了位运算&的方式对当前类进行处理。

验证总结：验证isa与类是否关联还有其他方式，这里不一一阐述，有兴趣的同学可以自己探索。

  • isa结构分析总结：
    1.isa通过isa_t方法进行初始化，其中使用到了联合体位域；isa与类关联的同时，做了强转的操作和位运算计算存储，其中newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;的uintptr_t表示long类型。
    2.x86_64和arm64环境不同，存在部分计算差异
    3.掌握如何对类和isa的关联验证
    4.如何使用Clang查看源码。
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