03 - 对象，联合体和isa探索

OC对象本质探索

相信大家都听说过OC对象的本质 其实就是 结构体，但是大多数开发者不太清楚它的底层实现，接下来我们就探索一下：

Clang

• clang是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/OC的编译器
• 主要是用于底层编译，将一些文件输出成c++文件，例如main.m输出成main.cpp，其目的是为了更好的观察底层的一些结构及实现的逻辑，方便理解底层原理。

接下来我们对OC对象本质的探索就需要使用Clang编译器。

• 首先我们创建一个Mac Comman Line Tool 空工程

  
  
  Comman Line Tool

• 在main.m中自定义一个类`LPerson ,并添加一个属性name

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

@implementation LPerson
@end

• 接下来便需要使用Clang将main.m编译成main.cpp,命令如下,这里我们使用第一种:

//1、将 main.m 编译成 main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

//2、将 ViewController.m 编译成  ViewController.cpp
clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot / /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.7.sdk ViewController.m

//以下两种方式是通过指定架构模式的命令行，使用xcode工具 xcrun
//3、模拟器文件编译
- xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 

//4、真机文件编译
- xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp 

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

使用第一种这里可能会报错'UIKit/UIKit.h' file not found,这时改用第二种命令就可以了

编译报错

• 打开编译好的main.cpp，找到LPerson的定义，发现LPerson在底层会被编译成 struct 结构体.

LPerson 结构体

由此可见LPerson对象在C++底层是结构体;

• 由上面的LPerson结构体中我们还发现,其中还有个属性NSObject_IMPL,从代码中我们可以看出,它就是isa,是继承自NSObject，属于伪继承，伪继承的方式是直接将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`。
  
  NSObject_IMPL

NSObject源码

NSObject源码

从上面源码也可以看出对象就是这样一个结构体，且被typedef为id 。在Foundation层id就表示一个对象 。此时便能证明,OC对象的本质 其实就是 结构体!

• 从上面源码中我们也可以看到,LGPerson中的第一个属性 NSObject_IVARS 等效于 NSObject中的 isa,是否记得我们用lldb命令po 一个对象(LPerson)的时候的返回的是<LGPerson: 0x101404a30>,这里便是它的isa.

关于isa

通过上面的分析我们可以了解到,在对象结构体内，有一个Class类型的 isa 变量，他是一个指向该对象类型的指针 ,在面向对象编程中，对象是由类创建的，对象可以通过isa 变量找到自己所属的类。

Class探索

下面是Class的源码:

Class结构

从Class源码中我们可以看到它的结构,类里面有个 super_class ，指向了类的父类； 同时类也有一个 isa指针，那类的 isa 指针指向了哪里呢？

对象是按照 类 所定义的各个属性和方法生产的，类 作为对象的模板，也可看成是对象。正如工厂里面的模子也是要专门制作模子的机器生产。元类 (meta class)就是设计、管理类(class)的模板。对象是 类 的实例，类是 元类 的实例。

所以类的isa指针指向了 元类。

如果按照这个规则，聪明的你应该想到了问题了: 元类也是对象，元类对象中也有isa，那么元类的 isa 又指向哪里呢？总不能指向元元类吧……这样是无穷无尽的。

Objective-C语言的设计者已经考虑到了这个问题，所有元类的isa 都指向 根元类（meta Root Class）。关于实例对象、类、元类之间的关系，苹果官方给了一张图，非常清晰的表明了三者的关系。

isa

• 实线是 super_class 指针，虚线是isa 指针。
• Root class（class） 通常是 NSObject，NSObject 是没有超类的，所以 Root class（class）的 superclass 指向 nil。
• 每个Class都有一个 isa指针指向唯一的 Meta class
• Root class（meta）的 superclass 指向 Root class（class），也就是 NSObject，形成一个回路。
• 每个 Meta class 的 isa 指针都指向 Root class（meta）。

一个对象 可以通过isa找到类，根据类的isa和 super_class 找到 元类 与 父类 ，进而直到 根元类 和 根类 ，所以 对于最开始的例子LPerson *p = [[LPerson alloc] init]; ``LPerson可以调用NSObject的方法，在这中间isa 起到至关重要的作用。

由此我们可以得出结论:

• Object-C 是基于类的对象系统。每一个对象都是一些类的实例；这个对象的isa 指针指向它所属的类。

  • 该类描述这个 对象的数据信息 ：内存分配大小(allocation size)和实例变量的类型(ivar types )与布局(layout)；
  • 也描述了 对象的行为 ：它能够响应的选择器(selectors)和它实现的实例方法(instance methods)。

• 每个 Object-C 类也是一个对象，它的 isa 指针指向元类，元类是关于类对象的描述，就像类是普通实例对象的描述一样。

• 一个元类是根元类的实例；根元类是它自身的实例。

• isa 指针链以一个环结束：实例指向类-指向元类-指向根元类-到自身。元类的 isa 指针并不重要，因为在现实世界中，没人会向元类对象发送消息。

isa_t

isa_t最初出现在之前的alloc探索中,通过alloc --> _objc_rootAlloc --> callAlloc --> _objc_rootAllocWithZone --> _class_createInstanceFromZone-->initInstanceIsa方法路径，查找到initIsa

initIsa

从源码中可以看出,isa_t是通过联合体（union）定义的

isa_t

isa_t类型使用联合体的原因也是基于内存优化的考虑，这里的内存优化是指在isa指针中通过char + 位域（即二进制中每一位均可表示不同的信息）的原理实现。通常来说，isa指针占用的内存大小是8字节，即64位，已经足够存储很多的信息了，这样可以极大的节省内存，以提高性能

从isa_t的定义中可以看出：

• 提供了两个成员，cls 和 bits，由联合体的定义所知，这两个成员是互斥的，也就意味着，当初始化isa指针时，有两种初始化方式

  • 通过cls初始化，bits无默认值

  • 通过bits初始化，cls有默认值

• 还提供了一个结构体定义的位域，用于存储类信息及其他信息，结构体的成员ISA_BITFIELD，这是一个宏定义，有两个版本 arm64（对应ios 移动端） 和 x86_64（对应macOS），以下是它们的一些宏定义，如下图所示

位域的宏定义

• nonpointer有两个值，表示自定义的类等，占1位

  • 0：纯isa指针
  • 1：不只是类对象地址，isa中包含了类信息、对象的引用计数等

• has_assoc 表示关联对象标志位，占1位

• 0：没有关联对象

• 1：存在关联对象

• has_cxx_dtor 表示该对象是否有C++/OC的析构器（类似于dealloc），占1位

  • 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

• shiftclx表示存储类的指针的值（类的地址）， 即类信息

  • arm64中占 33位，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
  • x86_64中占 44位

• 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，占6位

• weakly_refrenced是 指对象是否被指向 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 标志对象是是否正在释放内存

• has_sidetable_rc表示 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（额外的引用计数） --- 表示该对象的引用计数值，实际上是引用计数值减1

  • 如果对象的引用计数为10，那么extra_rc为9

isa存储情况

isa指针 位域算法

这里是macOS环境，所以是x86_64

• 通过main中的LGPerson 断点 --> initInstanceIsa --> initIsa --> 走到else中的 isa初始化,执行lldb命令：p newisa，得到newisa的详细信息
  

  lldb调试

• 然后继续往下执行，走到newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;下一行，表示为isa的bits成员赋值，重新执行lldb命令p newisa，得到的结果如下
  

  newisa.bits赋值之后

我们发现，newsize的信息发生了变化：

newsizes数据幻化

• 其中magic是59是由于将isa指针地址转换为二进制，从47（因为前面有4个位域，共占用47位，地址是从0开始）位开始读取6位，再转换为十进制，如下图所示
  
  magic是59

联合体(union)

构造数据类型的方式有以下两种：

• 结构体（struct）
• 联合体（union，也称为共用体）

结构体

结构体是指把不同的数据组合成一个整体，其变量是共存的，变量不管是否使用，都会分配内存。

• 缺点：所有属性都分配内存，比较浪费内存，假设有4个int成员，一共分配了16字节(128位)的内存，但是在使用时，你只使用了4字节(32位)，剩余的12字节(96位)就是属于内存的浪费

• 优点：存储容量较大，包容性强，且成员之间不会相互影响

联合体

联合体也是由不同的数据类型组成，但其变量是互斥的，所有的成员共占一段内存。而且共用体采用了内存覆盖技术，同一时刻只能保存一个成员的值，如果对新的成员赋值，就会将原来成员的值覆盖掉

• 缺点：包容性弱

• 优点：所有成员共用一段内存，使内存的使用更为精细灵活，同时也节省了内存空间

两者的区别

• 内存占用情况

  • 结构体的各个成员会占用不同的内存，互相之间没有影响
  • 共用体的所有成员占用同一段内存，修改一个成员会影响其余所有成员

• 内存分配大小

  • 结构体内存>=所有成员占用的内存总和（成员之间可能会有缝隙）
  • 共用体占用的内存等于最大的成员占用的内存