OC底层原理03— isa探究

iOS--OC底层原理文章汇总

对象的本质

在分析isa前，先分析一下我们常见的接触最多的——对象。为了探究OC对象的本质是什么，就有必要了解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。Clang是⼀个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/Objective-C编译器。

  • 利用Clang解析OC文件
    将OC代码通过Clang命令解析，就能探究OC对象低层是怎样的一个数据形式。用到的命令：clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp,目的是将目标文件编译成C++的文件，这是基于OC文件的一种编译方式，如果要对UIKit框架下的UI文件比如ViewController.m。
// 模拟器sdk路径替换自己的即可
clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-12.0.0 -isysroot /
Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/
iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator12.0.sdk ViewController.m

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
xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp-- iPhoneSimulator
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main�arm64.cpp -- iPhone
通过搜索定义的对象名

// 对象的本质——结构体
struct Book_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_name;
};

// @property (nonatomic, copy) NSString *bookName;
/* @end */
// @implementation Book

static NSString * _I_Book_name(Book * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$Book$_name)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);
static void _I_Book_setName_(Book * self, SEL _cmd, NSString *name) {
    objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct Book, _name), (id)name, 0, 1);
}
// @end

对象：对象的本质是结构体。

联合体位域（union）

再来稍稍剖析下联合体位域。联合体位域的目的是为了优化存储空间，节省内存。
当多个数据需要共享内存或者多个数据每次只取其一时，可以利用联合体(union)：
1)联合体是一个结构；
2)它的所有成员相对于基地址的偏移量都为0；
3)此结构空间要大到足够容纳最"宽"的成员；
使用位域的主要目的是压缩存储，其大致规则为：

  1. 如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof大小，则后面的字段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止；

  2. 如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍；

  3. 如果相邻的位域字段的类型不同，则各编译器的具体实现有差异，VC6采取不压缩方式，Dev-C++采取压缩方式；

  4. 如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩；

  5. 结构体总大小为最大对齐数的整数倍。

比如定义一个车的类，它有前后左右的属性,每一个属性就是占4个字节，4 x 4 = 16字节 x 8位 = 128位，这样就浪费存储空间。如果优化一下，使用联合体位域，通过0: NO, 1: YES这样的形式来存储前后左右，那它就能用1个字节存储下来。

// car.h
@interface Car : NSObject
@property (nonatomic, assign) BOOL front;
@property (nonatomic, assign) BOOL back;
@property (nonatomic, assign) BOOL left;
@property (nonatomic, assign) BOOL right;

// 对象 - 属性
// 存储 : 1字节 = 8位 0000 1111  char + 位域  bit 结构体
- (void)setFront:(BOOL)isFront;  
- (BOOL)isFront;

- (void)setBack:(BOOL)isBack;
- (BOOL)isBack;

@end

// car.m

#import "Car.h"

#define DirectionFrontMask    (1 << 0)
#define DirectionBackMask     (1 << 1)
#define DirectionLeftMask     (1 << 2)
#define DirectionRightMask    (1 << 3)

// ISA 8字节 64 信息 性能
// 2^64

@interface Car(){
    // 联合体
    union {
        char bits;
        // 位域
        struct { // 0000 1111
            char front  : 1;
            char back   : 1;
            char left   : 1;
            char right  : 1;
        };
    } _direction;
}
@end
@implementation Car
- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
    // 使它们有相同的基地址
        _direction.bits = 0b0000000000;
    }
    return self;
}
- (void)setFront:(BOOL)isFront {
        
    if (isFront) {
       // 如果向前，_direction.bits | DirectionFrontMask，则代表得到向前为真 ，有了新的  _direction.bits = 0b0000000001;
        _direction.bits |= DirectionFrontMask;
    } else {
      // 否则，_direction.bits = 0b0000000000；
        _direction.bits |= ~DirectionFrontMask;
    }
    NSLog(@"%s",__func__);
}
- (BOOL)isFront{
    return _direction.front;
}
- (void)setBack:(BOOL)isBack {
    _direction.back = isBack;
    NSLog(@"%s",__func__);
}
- (BOOL)isBack{
    return _direction.back;
}
@end

通过对基地址进行左移的形式，将其4个结构体成员所代表的信息，用一个字节就表达了，苹果大量采用了这样的编码方式。

isa的分析

利用之前的objc781源码工程进行底层isa的分析:
alloc -> _objc_rootAlloc -> callAlloc -> _objc_rootAllocWithZone -> _class_createInstanceFromZone会进入以下的代码

static ALWAYS_INLINE id
_class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone,
                              int construct_flags = OBJECT_CONSTRUCT_NONE,
                              bool cxxConstruct = true,
                              size_t *outAllocatedSize = nil)
{
    ASSERT(cls->isRealized());

    // Read class's info bits all at once for performance
    bool hasCxxCtor = cxxConstruct && cls->hasCxxCtor();
    bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
    bool fast = cls->canAllocNonpointer();
    size_t size;

    size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

    id obj;
    if (zone) {
        obj = (id)malloc_zone_calloc((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
    } else {
        obj = (id)calloc(1, size);
    }
    if (slowpath(!obj)) {
        if (construct_flags & OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC) {
            return _objc_callBadAllocHandler(cls);
        }
        return nil;
    }

    if (!zone && fast) {
        obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
    } else {
        // Use raw pointer isa on the assumption that they might be
        // doing something weird with the zone or RR.
        obj->initIsa(cls);
    }

    if (fastpath(!hasCxxCtor)) {
        return obj;
    }

    construct_flags |= OBJECT_CONSTRUCT_FREE_ONFAILURE;
    return object_cxxConstructFromClass(obj, cls, construct_flags);
}

其中 initInstanceIsa, initIsa就发现isa踪迹；继续跟入：


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

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

inline void 
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());
       // 初始化
        isa_t newisa(0);
#if SUPPORT_INDEXED_ISA 
      // iOS系统下走这
        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 就是一个联合体，对bits进行默认赋值
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        // 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;
#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;
    }
}

分析这段代码，isa = isa_t((uintptr_t)cls);这段代码是一个关键点，进入isa_t：

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
};

ISA_BITFIELD; // defined in isa.h终于看到了isa的定义文件，进入发现了下面的代码：

// 针对iOS系统时的isa
# 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)
// 针对macOS系统时的isa
# 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)

# else
#   error unknown architecture for packed isa
# endif

// SUPPORT_PACKED_ISA
#endif

这就是isa的结构，在iOS和macOS有这不同的字节占比，却有着相同的定义：
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：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。
通过以下图片可以更加形象的理解isa的结构：

isa结构-网络图

其中我们需要关注的是shiftcls,它存储的事类指针的值，事关整个类的关键信息。可以通过调试objc源码工程进行实操。

  • newisa 初始化
    进入到inline void objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor)，这个方法中，下一个断点
    isa断点图

    利用LLDB调试，打印一些信息
(lldb) x cls
0x1000020e8: c0 20 00 00 01 00 00 00 40 41 33 00 01 00 00 00  . ......@A3.....
0x1000020f8: 10 e4 32 00 01 00 00 00 00 00 00 00 10 80 00 00  ..2.............
(lldb) x/4gx cls
0x1000020e8: 0x00000001000020c0 0x0000000100334140
0x1000020f8: 0x000000010032e410 0x0000801000000000
(lldb) p newisa
(isa_t) $2 = {
  cls = nil
  bits = 0
   = {
    nonpointer = 0
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 0
    shiftcls = 0
    magic = 0
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}

x == memory read : 打印内存情况 ； x/4gx ：用4行的形式打印内存；

这是刚开始创建的newisa信息情况，当它执行了上图中newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;之后，newisa就有了新的值：

(isa_t) $4 = {
  cls = 0x001d800000000001
  bits = 8303511812964353
   = {
    nonpointer = 1
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 0
    shiftcls = 0
    magic = 59 
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}

cls不再为nil，bits中的成员也有了初始值，其中的magic = 59，二进制是11 1011;它对应16进制下64位中的47 ~ 52中的值：

magic值

  • 关联isa指针与类
    newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;这个执行的操作就是将 (uintptr_t)cls右移三位，再打印它的信息验证一下，newisa的信息就与类关联起来了。
(lldb) p (uintptr_t)cls 
(uintptr_t) $7 = 4294975720
(lldb) p $5 >> 3
(uintptr_t) $8 = 536871965
(lldb) p newisa
(isa_t) $9 = {
  cls = LGPerson
  bits = 8303516107940073
   = {
    nonpointer = 1
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 0
    shiftcls = 536871965
    magic = 59
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}

将isa返回赋值到obj：

初始化isa关联类

在这个页面继续LLDB调试，打印obj对象信息，在打印它的内存信息，其实：0x001d8001000020e9就是这个类的isa信息，通过窥探isa的源码，我们有两种方式获得LGPerson类关联，return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);，执行这段代码同样能得出类信息。

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
}

(lldb) po obj
<LGPerson: 0x101305150>

(lldb) x/4gx 0x101305150
0x101305150: 0x001d8001000020e9 0x0000000000000000
0x101305160: 0x00007fff8b974738 0x000000010063eff0
(lldb) po 0x001d8001000020e9 & 0x00007ffffffffff8ULL
LGPerson
  • 通过位移预算再验证类信息
    根据之前分析的isa结构，其中shiftcls存储的就是类的信息，那么就可根据isa指针，通过向右位移3位，再向左位移17 + 3 = 20，再通过右位移17还原出isa地址中shiftcls信息，这个计算的操作就是为了将isa其他位上的信息进行抹零处理，得到了第 3 ~ 46的信息。（iOS为3~35）
(lldb) x/4gx 0x101305150
0x101305150: 0x001d8001000020e9 0x0000000000000000
0x101305160: 0x00007fff8b974738 0x000000010063eff0
(lldb) p/x 0x001d8001000020e9 >> 3
(long) $13 = 0x0003b0002000041d
(lldb) p/x 0x0003b0002000041d << 20 
(long) $14 = 0x0002000041d00000
(lldb) p/x 0x0002000041d00000 >> 17
(long) $15 = 0x00000001000020e8
(lldb) p/x cls
(Class) $16 = 0x00000001000020e8 LGPerson
// 验证了cls的信息与位移后的结果
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