iOS-底层分析之isa

作为iOS开发者，我们都知道继承自NSObject的子类都包含了一个isa属性，下图是NSObject类的定义：

@interface NSObject <NSObject> {
#pragma clang diagnostic push
#pragma clang diagnostic ignored "-Wobjc-interface-ivars"
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#pragma clang diagnostic pop
}

我们可以看到NSObject类中有一个isa属性

isa详解

在arm64之前，isa就是普通的指针，只存储类对象，元类对象的指针。但是arm64之后isa做了优化，采用了联合体结构，将64位的内存空间用来存储了非常多了标记以及数据。
接下来我们通过objc源码来看看getIsa方法的返回：

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
}

SUPPORT_INDEXED_ISA值为0所以，最终会走到下面这句代码

return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);

isa是一个isa_t类型，我们先来看看isa_t的定义：

union isa_t {
    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
};

我们看到isa_t是一个联合体类型，包含一个Class类型的属性cls，uintptr_t类型的属性bits，以及一个struct cls我们都明白是当前类的类名，bits属性代表什么意思呢？

如果不清楚联合体对象的用法，可以查看这篇文章联合体

因为联合体内存共用的特性，struct占用8个字节64位内存空间，我们看到uintptr_t定义为：

#ifndef _UINTPTR_T
#define _UINTPTR_T
typedef unsigned long           uintptr_t;
#endif /* _UINTPTR_T */

也就是说uintptr_t也是占用8个字节，所以我们只要对struct赋值，也可以通过bits来访问这段内存。

我们先看看struct的定义（ISA_BITFIELD在arm64和x86架构上有着不同的定义，我们这里只讨论arm64）：

# 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; /*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)

我们可以看到这里总共定义了64位，每一位上都代表的不同的意义，下面是这64位的具体含义：

字段名	意义
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	标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。

实际内存占用情况如下：

内存占用

我们看到实际上shiftcls才是真正的Class类名，我们前面知道了getIsa方法的返回：

return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);

通过bits和ISA_MASK相与，实际上就是将shiftcls所占用的33位数据提取出来，这也就是isa只返回了Class类名的原因

验证

接下来我们验证一下是否如上所说：(验证的时候是在mac，x86上验证，和arm64有些不一样，但是并不影响结果)
我们可以通过以下两种方式来验证：

将对象的isa地址和ISA_MASK进行与运算
对对象的isa地址进行位运算，然后将当前类的Class编码，进行对比

通过`ISA_MASK`与运算

isa

我们先拿到objc2的isa地址，上图中红色框中就是isa地址
查看源码得知了ISA_MASK定义为0x0000000ffffffff8ULL

po 0x001d8001000020e9 & 0x0000000ffffffff8ULL

得到结果：

结果

位运算验证

我们知道在isa_t结构体的定义中，shiftcls从第四位开始只占用33位（x86架构下占用44位），所以在isa的低位还有3位，高位还有27位（x86架构下高位为17位）

我们先将isa左移3位，抹去低三位数据：

(lldb) p 0x001d8001000020e9 >> 3
(long) $1 = 1037939513492509
(lldb)

然后右移20位（需要加上上一步左移的三位）抹去高位数据：

(lldb) p $1 << 20
(long) $2 = 562951057571840

然后再将位置复原到原来shiftcls的第四位：

(lldb) p $2 >> 17
(long) $3 = 4294975720

得到结果：4294975720，记住这个数字

然后运行到objc源码

objc

此时我们将cls编码输出，以及将刚才得到的数字按照16进制输出：

(lldb) p/x (uintptr_t)cls
(uintptr_t) $4 = 0x00000001000020e8
(lldb) p/x 4294975720
(long) $5 = 0x00000001000020e8
(lldb)

得到了一样的结果0x00000001000020e8，进一步说明isa指针的中间33位（x86中间为44位）存储的才是class的类名

iOS-底层分析之isa

isa详解

验证

通过ISA_MASK与运算

位运算验证

通过`ISA_MASK`与运算