OC底层04：isa和类的关联

联合体与结构体

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字节的内存，但是在使用时，你只使用了4字节，剩余的12字节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

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

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

结构体内存 大于等于 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

Clang编译器

  • clang是由 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OC文件输出成c++文件，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。例如main.m 输出成main.cpp，

终端 clang -- oc转c++文件的方法

//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

OC对象的本质

  • 首先我们在main.m中自定义一个YPPerson类
@interface YPPerson : NSObject

@property (nonatomic, copy) NSString *name;

@end

@implementation LGPerson

@end

  • 打开终端cd到当前main.m目录，输入clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp回车，在当前目录下会生成一个main.cpp文件

  • 打开main.cpp文件,搜索YPPerson就还会发现一个YPPerson_IMPL的结构体，所以我们确定OC对象的本质就是结构体

    image.png

    • YPPerson_IMPL中有个继承(伪继承)自NSObject的NSObject_IVARS,NSObject_IVARS等效于isa 
// YPPerson
struct YPPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_name;
};
// NSObject底层编译
struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};
// NSObject的定义(在objc源码中)
@interface NSObject <NSObject> {
//#pragma clang diagnostic push
//#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
//#pragma clang diagnostic pop
}

在main.cpp文件我们还发现了属性name的set、get方法，通过依赖于runtime中的objc_setProperty方法
我们可以在objc的源码中搜索objc_setProperty找到对应的实现

  • 在reallySetProperty方法中可以发现实现的原理是新值retain和旧值release 
//objc_setProperty
void objc_setProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, id newValue, BOOL atomic, signed char shouldCopy) 
{
    bool copy = (shouldCopy && shouldCopy != MUTABLE_COPY);
    bool mutableCopy = (shouldCopy == MUTABLE_COPY);
    reallySetProperty(self, _cmd, newValue, offset, atomic, copy, mutableCopy);
}

//reallySetProperty
static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy, bool mutableCopy)
{
    if (offset == 0) {
        object_setClass(self, newValue);
        return;
    }

    id oldValue;
    id *slot = (id*) ((char*)self + offset);

    if (copy) {
        newValue = [newValue copyWithZone:nil];
    } else if (mutableCopy) {
        newValue = [newValue mutableCopyWithZone:nil];
    } else {
        if (*slot == newValue) return;
        newValue = objc_retain(newValue);
    }

    if (!atomic) {
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;
    } else {
        spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot];
        slotlock.lock();
        oldValue = *slot;
        *slot = newValue;        
        slotlock.unlock();
    }

    objc_release(oldValue);
}

isa和类的绑定

  • 在OC源码探索02：alloc、init和new的区别中我们发现alloc的核心方法initInstanceIsa，作用是将cls和isa绑定， 但是在初始化isa的时候是isa_t类型的 ,所以在返回的时候系统对isa做了Class的类型强转
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;
#else
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
#endif
}

isa_t

union isa_t { //联合体
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    //提供了cls 和 bits ，两者是互斥关系
    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

我们从isa_t的源码中可发现是由联合体定义的，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
从

  • 从isa_t的源码中有cls和bits两个成员，因为isa_t是联合体，所以isa指针在初始化时有两种初始化方法
    • 通过cls初始化，bits无默认值
    • 通过bits初始化，cls有默认值
  • isa_t中还定义了一个位域(ISA_BITFIELD)用于存储类信息及其他信息，ISA_BITFIELD有两个版本，__arm64__（对应ios 移动端） 和__x86_64__（对应macOS）

    • 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

# if __arm64__             //iOS                                                              
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
#   define ISA_BITFIELD                                                      
      uintptr_t nonpointer        : 1;  // 是否对isa指针开启指针优化                               
      uintptr_t has_assoc         : 1;  // 是否有关联对象                                     
      uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;  // 是否有C++实现                                   
      uintptr_t shiftcls          : 33; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000*///存储类信息
      uintptr_t magic             : 6;  // 调试器判断对象是真对象还是为初始化空间
      uintptr_t weakly_referenced : 1;  // 对象是否被指向或者曾经指向一个ARC的弱引用
      uintptr_t deallocating      : 1;  // 标志对象是否正在释放内存
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;  // 是否有外挂的散列表
      uintptr_t extra_rc          : 19  // 额外的引用计数
#   define RC_ONE   (1ULL<<45)
#   define RC_HALF  (1ULL<<18)

# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
#   define ISA_BITFIELD                                                        \
      uintptr_t nonpointer        : 1;                                         \
      uintptr_t has_assoc         : 1;                                         \
      uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;                                         \
      uintptr_t shiftcls          : 44; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x7fffffe00000*/ \
      uintptr_t magic             : 6;                                         \
      uintptr_t weakly_referenced : 1;                                         \
      uintptr_t deallocating      : 1;                                         \
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                         \
      uintptr_t extra_rc          : 8
#   define RC_ONE   (1ULL<<56)
#   define RC_HALF  (1ULL<<7)
arm64(iOS)

x86_64(macOS)

位运算验证

定义一个继承自 NSObject 的类YPPerson，不添加任何属性与方法
因为YPPerson继承自NSObject，默认有一个 isa，所以 0x021d8001000020f1 就是 isa_t 结构。所以我们将0x021d8001000020f1 右移3位，左移31位，再右移28位，最终结果显示是拿到了YPPerson类信息，刚好对应上面所说的shiftcls的数据信息

image.png

Dealloc

我们可以在objc的源码中可以搜索dealloc方法,跳转到_objc_rootDealloc -->rootDealloc，在rootDealloc方法中先判断isa.nonpointer、isa.weakly_referenced、isa.has_assoc 、isa.has_cxx_dtor、isa.has_sidetable_rc这五种情况，如果含有任意一种就会调用object_dispose方法，反之如果五种情况都么有，就直接调用C函授free()

inline void
objc_object::rootDealloc()
{
    if (isTaggedPointer()) return;  // fixme necessary?

    if (fastpath(isa.nonpointer  &&  
                 !isa.weakly_referenced  &&  
                 !isa.has_assoc  &&  
                 !isa.has_cxx_dtor  &&  
                 !isa.has_sidetable_rc))
    {
        assert(!sidetable_present());
        free(this);
    } 
    else {
        object_dispose((id)this);
    }
}

再点击到object_dispose -->object_dispose就可以发现obj的是否流程
首先判断hasCxxDtor(C++相关内容)，再判断hasAssociatedObjects(管理对象)，来进行对应释放，然后在调用clearDeallocating方法

void *objc_destructInstance(id obj) 
{
    if (obj) {
        // Read all of the flags at once for performance.
        bool cxx = obj->hasCxxDtor();//c++相关
        bool assoc = obj->hasAssociatedObjects();//关联对象

        // This order is important.
        if (cxx) object_cxxDestruct(obj);//c++相关
        if (assoc) _object_remove_assocations(obj);//关联对象
        obj->clearDeallocating();
    }

    return obj;
}

先执行sidetable_clearDeallocating方法，在执行clearDeallocating_slow(释放散列表)方法

inline void 
objc_object::clearDeallocating()
{
    if (slowpath(!isa.nonpointer)) {
        // Slow path for raw pointer isa.
        sidetable_clearDeallocating();
    }
    else if (slowpath(isa.weakly_referenced  ||  isa.has_sidetable_rc)) {
        // Slow path for non-pointer isa with weak refs and/or side table data.
        clearDeallocating_slow();
    }

    assert(!sidetable_present());
}

执行weak_clear_no_lock(弱引用指针表)和refcnts.erase(引用计数表)，到此为止，Dealloc方法执行完毕

objc_object::clearDeallocating_slow()
{
    ASSERT(isa.nonpointer  &&  (isa.weakly_referenced || isa.has_sidetable_rc));

    SideTable& table = SideTables()[this];
    table.lock();
    if (isa.weakly_referenced) {
        weak_clear_no_lock(&table.weak_table, (id)this);
    }
    if (isa.has_sidetable_rc) {
        table.refcnts.erase(this);
    }
    table.unlock();
}
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