OC底层原理05-isa结构分析

该文章是对前一篇 OC底层原理01-alloc流程探索 中initInstanceIsa(给对象关联isa)分支的一个拓展和深入

一、准备工作

二、源码里面找isa

2.1 继续obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);流程

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);
}
  • 我们自定义的类都是走initInstanceIsa
  • 系统某一些类才会调用initIsa

2.2 进入initInstanceIsa 

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)
{
    initIsa(cls, false, false);
}
  • initInstanceIsa也会进入initIsa
  • 它们第二个参数nonpointer不同
  • initInstanceIsa是传的true，initIsa是传的false

2.3 进入initIsa 

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());

        isa_t newisa(0);

#if SUPPORT_INDEXED_ISA
        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.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;
    }
}
  • 由于我们自定义的类nonpointer都是true，所以我们会进入else流程
  • 发现目标isa，它是一个isa_t类型的对象
  • isa_t newisa(0) 初始化一个isa
  • newisa.bits = hasCxxDtor给属性bits赋值
  • newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor给属性has_cxx_dtor赋值
  • newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3给属性shiftcls赋值，并向右移三位
  • isa = newisa把新建的newisa赋值给对象的isa，进行关联

2.4 查看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_t是一个联合体，属性互斥。
  • cls 和 bits 不能同时赋值

2.5 查看ISA_BITFIELD 

# 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)

# 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
  • 如果是arm64就走上面，如果是x86_64就走下面
  • 因为我们配置的objc4是基于macos的，所以我们要研究的是下面
  • isa存在内存地址的第一段，也就是8字节，8*8=64位

2.6 断点分析newisa的赋值过程

2.6.1 newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE在这一行下断点
image.png
2.6.2 打印newisa 
(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
  }
}
  • 初始都为空
2.6.3 断点往下走一步，再次打印newisa 
(lldb) p newisa
(isa_t) $3 = {
  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被赋值了0x001d800000000001
  • bits 被赋值了8303511812964353
  • nonpointer被赋值了1
  • magic被赋值了59
2.6.3.1 系统给cls赋值的是什么
image.png
  • 宏ISA_BITFIELD上面一个宏# define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL，这一步可以看做把ISA_MAGIC_VALUE直接赋值给cls，与打印台打印的cls不是同一个，这里的 cls 是 newisa 中的 cls
  • 这里的 ULL 是 unsigned long long 无符号长整型，只是一个类型标识
2.6.3.2 系统给bits赋值的是什么
image.png
  • 原来系统把宏ISA_MAGIC_VALUE的值0x001d800000000001转成了10进制，赋给了newisa中的cls
  • 注意：上图中打印的cls，是objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor)方法传入的，为了验证当前研究的是GomuPerson的流程
2.6.3.3 系统给nonpointer赋值的是什么
  • 因为initIsa方法传入的是一个true，所以赋值为1
2.6.3.4 系统给magic赋值的是什么
image.png
  • 用p/t命令将0x001d800000000001转成2进制打印，得上以上截图的一串数字
  • 由宏ISA_BITFIELD的位域定义可以得到，magic占位是6位，从第47位到第52位，由于是iOS小端，从右到左读取，用分隔符每4位分开方便查看0b0000_0000_0001_1101_1000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0001，得到第47位到52位为：111011
  • 111011是2进制，转成10进制得到59
2.6.4 断点继续往下走一步，再次打印newisa 
(lldb) p newisa
(isa_t) $7 = {
  cls = 0x001d800000000005
  bits = 8303511812964357
   = {
    nonpointer = 1
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 1
    shiftcls = 0
    magic = 59
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}
  • has_cxx_dtor被赋值了1，前面传过来hasCxxDtor为true
2.6.4 断点继续往下走一步，再次打印newisa 
(lldb) p newisa
(isa_t) $8 = {
  cls = GomuPerson
  bits = 8303516107940741
   = {
    nonpointer = 1
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 1
    shiftcls = 536872048
    magic = 59
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}
  • cls的值变成了GomuPerson，说明isa和GomuPerson已关联
  • bits的值由8303511812964357变成了8303516107940741
  • shiftcls被赋值了536872048
2.6.4.1 shiftcls赋的值是什么
image.png
  • 因为newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3 这一步代码，将cls 强转成 uintptr_t (无符号长整型的别名)，然后右移位
  • 打印 (uintptr_t)cls 得到 4294976384
  • 将 4294976384 右移三位，得到 536872048
  • 这一步的目的就是将cls强转后右移三位的值赋给shiftcls
  • 因为newisa中又给shiftcls赋了值，所以bits必然会变
2.6.4.2 bits的值为什么变了

[图片上传中...(image.png-902d6d-1599838772142-0)]

  • 把bits当前的值换算成2进制打印，得到上图$27
  • 把shiftcls的值换算成2进制打印，得到上图$28
  • 把$28前面补零，补足44位，则与$27完全相同
  • 说明isa中3-46位的确存的是cls，但是是右移了3位的cls
2.6.5 反向由person的首地址isa推导出shiftcls
2.6.5.1 打印person的isa的地址，转成10进制
image.png
  • 得到8303516107940741，很上面newisa中的 bits 完全一样
2.6.5.2 由isa的地址推导给shiftcls赋值之前的(uintptr_t)cls
image.png
  • 由于shiftcls在isa内存的3-46位，所以我们要先抹掉前面3位，右移 >> 3位
  • 左边空出20位，左移 << 20位，再右移 >> 17位，把左边17位抹零
  • 得到结果4294976384，和给shiftcls赋值的(uintptr_t)cls的值一模一样
2.6.5.3 shiftcls赋值的时候将(uintptr_t)cls右移三位的目的
  • 需要将一个64位的(uintptr_t)cls赋值给一个从isa第三位开始长度只有44的shiftcls
  • 那么我们需要取(uintptr_t)cls的0-43位赋值给shiftcls，因为shiftcls是从isa的第三位开始，这样赋值的后果是shiftcls在isa中的值就会向左偏移移3位，
  • 为了保证赋值后的shiftcls和(uintptr_t)cls相等，我们必须把(uintptr_t)cls的3-46赋值给shiftcls，即(uintptr_t)cls>>3
2.6.6 isa的地址 & ISA_MASK，会得到 GomuPerson
image.png
  • 经验证，isa的地址 & ISA_MASK，确定会得到 GomuPerson
  • 把ISA_MASK转成二进制，发现只有中间3-46位有效，所以isa与上ISA_MASK，相当于把前3位和后17位置0

2.7 基于x86_64的位域图

image.png
  • nonpointer：表示是否对isa指针开启指针优化，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（dealloc），占1位
    • 0：没有析构函数，则可以更快的释放对象
    • 1：有析构函数，则需要做析构逻辑
  • 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：表示对象是否被指向 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，占1位
  • deallocating：标志对象是是否正在释放内存，占1位
  • 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，占1位
  • extra_rc:（额外的引用计数） --- 导尿管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，占8位

四、拓展知识

构造数据类型的方式：

  • 结构体 [struct]

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。
优点：存储容量较大，包容性强，且成员之间不会相互影响
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

  • 联合体 [union]

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。而且联合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
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
缺点：包容性弱

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