iOS 底层 day11 runtime isa详解

一般语言通过编译链接之后，代码的执行效果已经确定。但是 OC 可以通过 Runtime API 动态修改程序执行效果，比如让 [person run] 运行时变成 [cat eat]。Runtime API 提供的接口基本是 C 语言的，源码由 C/C++/汇编 语言编写，源代码是开源的。

一、本节的主题是由浅入深，深入了解 isa

1. isa 的历史演变
  • 在 arm64 之前，isa 是一个普通的指针，存储着 Class 、Meta-Class 对象的内存地址
  • 在 arm64 之后，苹果对 isa 进行了优化，变成了一个共用体（union），还是用位域来存储更多的信息
2. 讲 isa 之前，我们来解决一些看似无关的问题 ，下面 person对象有三个数据需要存储tall、rich、handsome，思考 person对象的三个数据在内存中实际占据多大？再思考如何让 person对象的三个数据 仅占用一个字节？
#import <Foundation/Foundation.h>
@interface Person : NSObjec
@property(nonatomic, assign) BOOL tall;
@property(nonatomic, assign) BOOL rich;
@property(nonatomic, assign) BOOL handsome;
@end
  • 三个 BOOL 类型的属性，所以一共占 3 个字节
  • 如何让 person对象的三个数据 仅占用一个字节？下面介绍三种方法，由浅入深
3. 让 person对象的三个数据 仅占用一个字节的方案一
#import "Person.h"
// 掩码
#define SPTallMask (1<<0)
#define SPRichMask (1<<1)
#define SPHandsomeMask (1<<2)

@implementation Person
{
    char _tallRichHandsome; // 仅占用一字节
}
// tall
- (void)setTall:(BOOL)tall{
    if (tall) {
        _tallRichHandsome = _tallRichHandsome | SPTallMask;
    } else {
        _tallRichHandsome = _tallRichHandsome & (~SPTallMask);
    }
}
- (BOOL)tall{
    return !!(_tallRichHandsome & SPTallMask);
}
// rich
- (void)setRich:(BOOL)rich{
    if (rich) {
        _tallRichHandsome = _tallRichHandsome | SPRichMask;
    } else {
        _tallRichHandsome = _tallRichHandsome & (~SPRichMask);
    }
}
- (BOOL)rich{
    return !!(_tallRichHandsome & SPRichMask);
}
// handsome
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome{
    if (handsome) {
        _tallRichHandsome = _tallRichHandsome | SPHandsomeMask;
    } else {
        _tallRichHandsome = _tallRichHandsome & (~SPHandsomeMask);
    }
}
- (BOOL)handsome{
    return !!(_tallRichHandsome & SPHandsomeMask);
}

@end
  • 如上程序，数据部分，仅仅是 char _tallRichHandsome; 所以仅仅占用一个字节，就实现了分别存储 tall、rich、handsome 信息
4. 让 person对象的三个数据 仅占用一个字节的方案二（优化版），使用结构体的位域实现
#import "Person.h"

@implementation Person
{
    struct {
        char tall : 1;
        char rich : 1;
        char handsome : 1;
    } _tallRichHandsome;
}
// tall
- (void)setTall:(BOOL)tall{
    _tallRichHandsome.tall = tall;
}
- (BOOL)tall{
    return !!_tallRichHandsome.tall;
}
// rich
- (void)setRich:(BOOL)rich{
    _tallRichHandsome.rich = rich;
}
- (BOOL)rich{
    return !!_tallRichHandsome.rich;
}
// handsome
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome{
    _tallRichHandsome.handsome = handsome;
}
- (BOOL)handsome{
    return !!_tallRichHandsome.handsome;
}

@end
  • 上述代码结构体中，实际用到的是 3bit ，由于内存存储是以 byte 为单位，所以也占用 1byte
5. 让 person对象的三个数据 仅占用一个字节的方案 三（优化版），使用共用体+结构体的位域实现
#import "Person.h"
// 掩码
#define SPTallMask (1<<0)
#define SPRichMask (1<<1)
#define SPHandsomeMask (1<<2)

@implementation Person
{
    union {
        char bits;
        struct {
            char tall : 1;
            char rich : 1;
            char handsome : 1;
        };
    } _tallRichHandsome;
}
// tall
- (void)setTall:(BOOL)tall{
    if (tall) {
        _tallRichHandsome.bits = _tallRichHandsome.bits | SPTallMask;
    } else {
        _tallRichHandsome.bits = _tallRichHandsome.bits & (~SPTallMask);
    }
}
- (BOOL)tall{
    return !!(_tallRichHandsome.bits & SPTallMask);
}
// rich
- (void)setRich:(BOOL)rich{
    if (rich) {
        _tallRichHandsome.bits = _tallRichHandsome.bits | SPRichMask;
    } else {
        _tallRichHandsome.bits = _tallRichHandsome.bits & (~SPRichMask);
    }
}
- (BOOL)rich{
    return !!(_tallRichHandsome.bits & SPRichMask);
}
// handsome
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome{
    if (handsome) {
        _tallRichHandsome.bits = _tallRichHandsome.bits | SPHandsomeMask;
    } else {
        _tallRichHandsome.bits = _tallRichHandsome.bits & (~SPHandsomeMask);
    }
}
- (BOOL)handsome{
    return !!(_tallRichHandsome.bits & SPHandsomeMask);
}

@end
  • 方案三，使用 联合体 + 结构体位域 我们也达到同样的效果
  • 这里的 struct 更多的是起了一个说明作用，说明 bits 中的哪些数据代表 tall、rich、handsome
6. 接下来我们看一下 isa 指针的具体源码，是否一下子就理解其中含义了呢？
union isa_t 
{
    Class cls;
    uintptr_t bits;

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
    struct {
        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)
    };
}
  • arm64 架构下，isa_t共用体占据 8 字节，也就是 64bit， struct 中的内容就是对 64bit 每位上代表的含义进行说明
  • 其中 shiftcls 就是我们真正的指针地址，这也解答了，为什么我们在获得 instance 对象的 isa 地址值之后，需要 isa地址值& ISA_MASK 才能获取真正的 Class 或者 Meta-Class 地址
  • uintptr_t shiftcls : 33; 前面有三个 bit 被占用，结合ISA_MASK 前三位为零，从而我们可以推敲出，无论是 Class 还是 Meta-Class 他们的地址值，前三位都是零，这个可以在项目中打印 Class 或 Meta-Class 的地址值可以得到验证。
7. 打印了 personClass（类对象） 和 personMetaClass（元类对象）
Demo[5657:409869] personClass : 0x100003278, personMetaClass: 0x100003250
Demo[5657:409869] objClass : 0x7fff99c5c118,objMetaClass : 0x7fff99c5c0f0
Demo[5657:409869] 常量区:0x1000032b0,堆区:0x100424b70,栈区:0x7ffeefbff55c

  • 上述代码，我们可以验证今天所学，所有 Class 或者 MetaClass，后三位 bit 上的值都为零，在十六进制下的表现就是 0 或 8

  • 然后我定义了三个确定存放在数据区，堆区， 栈区 的变量地址

  • 我们观察可以发现 Person 的元类对象和类对象，都存放在常量区。

  • 但是为什么 NSObject 的元类对象和类对象存放在 栈区之上的区域呢？

  • 目前只能猜测，栈区之上还有一部分给苹果官方用的保留区，存放的 NSObject 的元类对象和类对象

  • 如果有读者明白其中原理，请留言告知，非常感谢。(找到问题了，因为需要用iOS真机测试，不能用mac模拟器)

8. 部分 isa_t 共用体含义

  • nonpointer:

  • 0，代表普通的指针，存储在 Class、Meta-Class 对象的内存地址

  • 1，代表优化过，使用位域存储更多的信息

  • has_assoc：

  • 是否有设置过关联对象，如果没有，释放时更快

  • has_cxx_dtor：

  • 是否有 C++的析构函数(.cxx_destruct) ，如果没有，释放时更快

  • shiftcls：

  • 存储着 Class、Meta-Class 对象的内存地址信息

  • magic：

  • 用于调试时分辨对象是否未完成初始化

  • weakly_referenced：

  • 是否有被弱引用指向过，如果没有，释放时会更快

  • deallocating：

  • 对象是否正在释放

  • extra_rc：

  • 里面存储的值是引用计数器减一

  • has_sidetable_rc：

  • 引用计数器是否过大无法存储在 isa 中

  • 如果为 1，那么引用计算会存储在一个叫 SideTable 的类的属性中

9. 有了上述知识，我们也可以很容易看懂 OC 中的枚举
typedef NS_OPTIONS(NSUInteger, UIViewAutoresizing) {
    UIViewAutoresizingNone                 = 0,
    UIViewAutoresizingFlexibleLeftMargin   = 1 << 0,
    UIViewAutoresizingFlexibleWidth        = 1 << 1,
    UIViewAutoresizingFlexibleRightMargin  = 1 << 2,
    UIViewAutoresizingFlexibleTopMargin    = 1 << 3,
    UIViewAutoresizingFlexibleHeight       = 1 << 4,
    UIViewAutoresizingFlexibleBottomMargin = 1 << 5
};

  • 上述是我们经常见到的枚举，现在我们能够轻易读懂，

  • 并且知道为什么可以这样写 UIViewAutoresizingFlexibleLeftMargin | UIViewAutoresizingFlexibleWidth

  • 也可以知道，如果我们自己需要定义这样的枚举，内部如何获取每个枚举的值

  • 思考 UIViewAutoresizingFlexibleLeftMargin | UIViewAutoresizingFlexibleWidth 是否等于 UIViewAutoresizingFlexibleLeftMargin + UIViewAutoresizingFlexibleWidth

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