OC底层探索-isa指针

OC对象的本质

平时我们在工作中所写的OC代码，它的底层实现都是C/C++代码。
所以OC的对象都是基于C/C++的数据结构实现的，所以OC对象本质上就是一个结构体。并且我们也可以通过clang来编译oc里面的文件来验证.

clang

Clang是一个C语言、C++、Objective-C语言的轻量级编译器。源代码发布于BSD协议下。 Clang将支持其普通lambda表达式、返回类型的简化处理以及更好的处理constexpr关键字。

  • 编译流程
  1. 首先在mian.h中定义一个对象
@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;
}
  1. 首先cd到当前要编译文件所在目录
  2. 例如这里我们编译一下main.h：clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 这是把目标文件编译成c++文件。

注意:UIKit报错问题
clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot / Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/ iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.0.sdk main.m
上面的/iPhoneSimulator13.0.sdk要换成自己电脑上相对应的路径.

编译成功之后会得到一个main.cpp的文件，双击打开它，我们可以在里面找到

struct LGPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_name;
};

这样一个东西。这个结构体就是LGPerson对象在内存中的本质。

isa指针

根据上面代码，来到mian.h，按住command点击NSObjec然后一层一层去查看，也可以看到这样一个结构：

//点击NSObject
@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}
//点击class
/// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

通过oc源码中的注释我们可以知道struct objc_object这个结构体表示一个类、对象。，id是指向这个结构体的指针，而在这个结构体中只有一个成员变量，一个class类型的isa�，这个isa就是一个结构体指针，它指向这个对象的类。

联合体位域

在探索isa的过程中会发现isa是将对象内存空间与class之间联结起来的桥梁,isa在有限的存储空间里，存放了很多的内容，它是用联合体与位域来实现的。

  • 联合体

联合体和结构体非常类似，它们两者各有优缺点：

  1. 结构体：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。
  2. 联合体：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。
union Data {
    int a;
    int b;
    short c;
    
} data;
struct Data1 {
    int a;
    int b;
    short c;
} data1;
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        data.a = 4;
        NSLog(@"a:%d,b:%d,c:%d",data.a,data.b,data.c);
        data.b = 6;
        NSLog(@"a:%d,b:%d,c:%d",data.a,data.b,data.c);
        data.c = 8;
        NSLog(@"a:%d,b:%d,c:%d",data.a,data.b,data.c);
        
        
        data1.a = 4;
        NSLog(@"a1:%d,b1:%d,c1:%d",data1.a,data1.b,data1.c);
        data1.b = 6;
        NSLog(@"a1:%d,b1:%d,c1:%d",data1.a,data1.b,data1.c);
        data1.c = 8;
        NSLog(@"a1:%d,b1:%d,c1:%d",data1.a,data1.b,data1.c);
    }
    return 0;
}
结果.png

根据上面结果可以知道，结构体中元素是互不影响的而联合体中元素是相互影响的，这正验证了结构体共存和联合体互斥的特性。

  • 位域
# 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;                                      \
      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)

上面oc源码中ISA_BITFIELD表示位域
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：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：当对象引⽤技术⼤于 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，则需要使⽤到下⾯的 has_sidetable_rc。
下面来看一段示例代码，定义一个car类，它有前后左右4个方向:

@interface LDQCar : NSObject

@property (nonatomic, assign) BOOL front;
@property (nonatomic, assign) BOOL back;
@property (nonatomic, assign) BOOL left;
@property (nonatomic, assign) BOOL right;

@end
//在main中赋值
LDQCar *car = [[LDQCar alloc] init];
car.front = YES;
car.back = YES;
car.right = YES;
car.left = YES;

运行，打个断点查看一下内存使用情况


位域1.png

从上图可以看到 01 01 01 01 00 00 00 00 这里至少会使用4个字节存这个4个属性，这是一种很大的浪费。
所以我们可以是有一个字节的char来进行表示，00 00 00 01这里用第一位表示向前，第二位表示向后，第三位表示向左，第四位表示向右。这样总共加起来最多一个字节，大大节省了内存。代码如下:

@interface LDQCar : NSObject

@property (nonatomic, assign) BOOL front;
@property (nonatomic, assign) BOOL back;
@property (nonatomic, assign) BOOL left;
@property (nonatomic, assign) BOOL right;


- (void)setFront:(BOOL)isFront;
- (BOOL)isFront;
- (void)setBack:(BOOL)isBack;
- (BOOL)isBack;
- (void)setLeft:(BOOL)isLeft;
- (BOOL)isLeft;
- (void)setRight:(BOOL)isRight;
- (BOOL)isRight;

@end


#import "LDQCar.h"

#define LDQDirectionFrontMask    (1 << 0)       //左移0位
#define LDQDirectionBackMask     (1 << 1)      //左移1位
#define LDQDirectionLeftMask     (1 << 2)        //左移2位
#define LDQDirectionRightMask    (1 << 3)      //左移3位

@interface LDQCar()
{
    // 联合体
    union {
        char bits;
        // 位域
        struct {
            char front  : 1;
            char back   : 1;
            char left   : 1;
            char right  : 1;
        };
    } _direction;
}

@end

@implementation LDQCar

- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        _direction.bits = 0b0000000000;
    }
    return self;
}

- (void)setFront:(BOOL)isFront {
        
    if (isFront) {
        _direction.bits |= LDQDirectionFrontMask;
    } else {
        _direction.bits |= ~LDQDirectionFrontMask;
    }
    _direction.front = isFront;
}

- (BOOL)isFront {
    return !!(_direction.front & LDQDirectionFrontMask);
}

- (void)setBack:(BOOL)isBack {
    _direction.back = isBack;
}

- (BOOL)isBack {
    return !!(_direction.back & LDQDirectionBackMask);
}

- (void)setLeft:(BOOL)isLeft {
    _direction.left = isLeft;
}

- (BOOL)isLeft {
    return !!(_direction.left & LDQDirectionLeftMask);
}

- (void)setRight:(BOOL)isRight {
    _direction.right = isRight;
}

- (BOOL)isRight {
    return !!(_direction.right & LDQDirectionRightMask);
}

@end

运行打断点查看:


位域2.png

07 00 00 00 00 00 00 00 这里用一个07就表示了car的4个属性，大大的节省了内存，提升了性能。

isa指针关联类

之前在alloc的流程分析中有提到：

  • cls->instanceSize //计算要开辟的内存大小
  • calloc //申请内存
  • initInstanceIsa //内存与指针的绑定

下面让我们来聊聊在内存与指针绑定时怎么对isa赋值的。
通过alloc流程我们一步步进到 initInstanceIsa方法中

objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

然后再来到initIsa，显然从这个方法名就知道这一步是对isa进行init操作，command按住点进去:

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;     ////对bits进行初始赋值
        // 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;     //走到这一步会根据cls的地址更新bit中的数据（因为isa_t是属于联合体(union)类型）那么指向类的地址就保存到了bits中，在以后想要获取类的地址时可以通过ISA()这个方法进行获取，在objc_object结构体ISA()方法中通过return (Class)(isa.bit & ISA_MASK)进行  位与 运算得到指向类结构体的地址进行操作#define ISA_MASK 0x00007ffffffffff8ULL

#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;
    }
}

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
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
//这里与ISA_MASK这个掩码是将isa指针shiftcls的前面3位以及后面的位置0，这样得到的就是isa指针的类信息，这样就将isa指针和类关联起来了。
#endif
}

结语

学习很苦，写博客很难，坚持住！👊

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