对象和类的关联

1.对象和类的定义

对象的定义：typedef struct objc_object *id;  
类的定义：typedef struct objc_class *Class;

1.1 objc_object

// objc-private.h

// objc_object 的实现
struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
以下是一些函数，省略
...
}

1.2 objc_class

// objc-runtime-new.h

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    class_rw_t *data() { 
        return bits.data();
    } 
// objc_class的部分方法代码省略不贴出来
}

从源码中我们看到objc_class继承自objc_object，说明了类也是一个对象， objc_class继承自objc_object，自然也就继承了objc_object的成员，则objc_class也拥有一个isa，由此我们推断对象和类的关联在于isa。

2.isa原理

2.1 源码

2.1.1 isa

union isa_t { //union共用体
    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
};

2.1.2 objc_object中初始化isa方法源码如下

// objc_private.h

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:  
···
private:
    void initIsa(Class newCls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor);
···
}

// objc-object.h

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    assert(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
// 2.1.1
        isa.cls = cls;
    } else {
// 2.1.2
        assert(!DisableNonpointerIsa);
        assert(!cls->instancesRequireRawIsa());
...//省略了部分不重要代码
        isa_t newisa(0);
        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;
        isa = newisa;
    }
    }
}

通常我们创建的OC对象都是nonpointer,所以会执行2.1.2，创建一个isa_t类型的newisa并初始化其成员bits为0。

2.1.3、shiftcls

// 获取内存地址
isa_t中 有一个shiftcls 长度为33位， 存放的就是地址 通过&一个掩码值，就可以获取shiftcls存放的值。

我们在x86_64（模拟器下）为研究，ISA_BITFIELD定义如下：

image.png

shiftcls的值为二进制的3~46位。

2.2验证

 // 实例化
 Person *p = [[Person alloc] init];
// 获取类对象地址
Class person_class = [Person class];
// 获取元类对象的地址
Class person_meta_class = object_getClass(person_class);
// 打印p->isa 
(lldb) p/x (long)p->isa  //x表示转化为十六进制
(long) $0 = 0x001d800100001149
// 打印 person_class地址，查看p->isa是否已person_class地址一致
(lldb) p/x person_class
(Class) $1 = 0x0000000100001148 Person

两次打印结果不一致
在64位之后，isa的内存地址需要&一个掩码值，才能获取到真正的内存地址

# if __arm64__ 
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
(lldb) p/x 0x001d800100001149 & 0x00007ffffffffff8
(long) $4 = 0x0000000100001148
(lldb) p/x person_class
(Class) $1 = 0x0000000100001148 Person
这次确实两次地址值一致

由此可见实例对象的isa确实是指向了类对象的内存地址
若要证明类对象的isa指向元类对象，需要自定义一个objc_class

struct pf_objc_class {
    Class isa;
};
// 将类对象转化为pf_objc_class结构体，才能获取到类对象的isa
struct pf_objc_class *person_class2 = (__bridge struct pf_objc_class *)(person_class);
// 类对象的isa地址
(lldb) p/x person_class2->isa
(Class) $5 = 0x001d800100001121
// 元类对象的实际地址
(lldb) p/x person_meta_class
(Class) $6 = 0x0000000100001120
// 同样将类对象的isa值&掩码值后等于元类对象的地址
(lldb) p/x 0x001d800100001121 & 0x00007ffffffffff8
(long) $7 = 0x0000000100001120

3.总结

对象和类的通过对象中的ias的shiftcls进行关联，class方法本质上返回的是isa的shiftcls，其底层实现通过isa.bit& ISA_MASK获取到shiftcls的值。
我们可以理解为类实例化的对象的isa指向该类。