iOS底层原理 03 : OC对象&isa

前言:
OC对象的本质到底是什么？里面到底是什么结构呢？我们常说的isa是什么？我们在iOS底层原理 01 : alloc&init中探索的obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor)是将isa与类信息关联的，那么isa具体是如何与类信息关联的呢？下面我们带着这些问题一起来学习。

OC对象的本质

接下来我们一起探索OC对象的本质:

  • 首先我们在新建好的工程的main.c文件里面自定义一个LGHPerson类
@interface LGHPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end

@implementation LGHPerson
@end

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        LGHPerson *person = [LGHPerson alloc];
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

  • 然后打开终端，将mian.c文件通过clang命令编译成我们需要的main.cpp, 即：在终端输入:clang -rewrite-objc main.c -o main.cpp

  • 打开mian.cpp,快速查询LGHPerson，我们会发现如下code,我们发现clang编译器会把LGHPerson编译成struct LGHPerson_IMPL{}结构体，所以LGHPerson类的本质其实就是LGHPerson_IMPL{}的结构体

struct LGHPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; //isa
    NSString *_name;
};

总结:
OC对象的本质是结构体，每一个结构体都有struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS的成员变量(即isa)，OC类的属性会被编译成对应结构体的成员变量。

探索obj->initInstanceIsa()具体实现？

我们从objc4源码(传送:可编译调试的objc4源码),找到initInstanceIsa()这个函数

  • initInstanceIsa()里面会执行initIsa() 
inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}
  • 在initIsa()函数里面，如果是!nonpointer, 通过初始化函数isa_t((uintptr_t)cls)并赋值给isa，否则新建isa_t,并对isa_t的位域里面的变量进行赋初始值 
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;
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();
#else
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
#endif
        isa = newisa;
    }
}
initInstanceIsa流程图.png

isa的本质

接下来我们来探索一下isa,我们在initIsa()函数里面，我们看到isa是一个isa_t的联合体。

1. 最终我们在isa.h文件中，看到isa_t的结构

union isa_t {
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  
    };
#endif
};

2. ISA_BITFIELD宏定义，我们看到定义的是位域, 在__arm64__和__x86_64__下里面定义的变量是相同的，只是所占的字节数略微有些不同。

# if __arm64__
#   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
# elif __x86_64__
#   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
endif

3. 所以其实isa_t的真正结构是联合体位域，__x86_64__下,我们可以看到位域里面所有变量所占的字节总数是64位，恰好是8字节

union isa_t {
    Class cls;
    uintptr_t bits;
    struct {
       uintptr_t nonpointer       : 1;                                  
      uintptr_t has_assoc         : 1;                                         
      uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;                                        
      uintptr_t shiftcls          : 44; 
      uintptr_t magic             : 6;                                       
      uintptr_t weakly_referenced : 1;                                       
      uintptr_t deallocating      : 1;                                        
      uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;                                        
      uintptr_t extra_rc          : 8;  
    };
};

4. 那么每个的作用是什么呢？这里总结一下：

  • 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 （自定义的类nonpointer为1）

  • 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，x86架构用44位来存储

  • 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。

总结：
1.isa_t是一个联合体，里面的成员变量共用一段内存，成员变量之间setter方法互斥(不能同时set)，所以对cls赋值的时候就不能对bits赋值，对bits赋值的时候就不能对cls赋值。
2.shiftcls是用来存储类信息的。

使用lldb去体验isa_t的结构

接下来我们去验证到底LGHPerson类信息是否存储到shiftcls里面？

  • 首先断点到initIsa()函数里面


    断点.png
  • 我们使用lldb打印一些信息
    newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE; 是给nonpointer和magic附上初始值。
(lldb) p newisa
(isa_t) $12 = {
  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
  }
}

从下面打印的信息来看，newisa.cls和newisa.bits是共用同一段内存，0x001d800000000001的10进制就是8303511812964353。

(lldb) p  newisa.cls
(Class) $9 = 0x001d800000000001
(lldb) p  newisa.bits
(uintptr_t) $10 = 8303511812964353
(lldb) p/d  0x001d800000000001
(long) $11 = 8303511812964353

我们接着断点往下走

图片.png

打印 newisa，我们看到shiftcls已经有值了，因为newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;将类存到shiftcls

p newisa
(isa_t) $13 = {
  cls = LGPerson
  bits = 8303516107940081
   = {
    nonpointer = 1
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 0
    shiftcls = 536871966
    magic = 59
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}

我们看到(uintptr_t)cls >> 3 是536871966，newisa.shiftcls的值536871966，说明类信息确实是存放在shiftcls。

(lldb) p (uintptr_t)cls >> 3
(uintptr_t) $17 = 536871966
(lldb) p newisa.shiftcls
(uintptr_t) $18 = 536871966

验证shiftcls确实是存放的是类信息（在__x86__架构为例）

  • 先在main函数打个断点


    图片.png
  • 使用lldb打印一些信息
    通过lldb查看objc的内存，得到isa是0x001d8001000020e9 
(lldb) po objc
<LGHPerson: 0x100681f90>
(lldb) x/4gx  0x100681f90
0x100681f90: 0x001d8001000020e9 0x0000000000000000
0x100681fa0: 0x756e654d534e5b2d 0x776569566d657449

我们通过移位操作，获取isa在[3-46]位置上的值，通过与LGHPerson.class比对，发现是一致的，都是0x00000001000020e8。

(lldb) p/x 0x001d8001000020e9>>3
(long) $4 = 0x0003b0002000041d
(lldb) p/x  0x0003b0002000041d<<20
(long) $5 = 0x0002000041d00000
(lldb) p/x  0x0002000041d00000>>17
(long) $6 = 0x00000001000020e8
(lldb) p/x LGHPerson.class
(Class) $7 = 0x00000001000020e8 LGHPerson

我们也可以通过算法 & ISA_MASK （0x00007ffffffffff8ULL），来得到shiftcls的值,
我们看的也能得到0x00000001000020e8

(lldb) p/x 0x001d8001000020e9 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $8 = 0x00000001000020e8

补充

lldb相关的调试命令

p/x  //以16进制输出
p/d  //以10进制输出
p/o // 以8进制输出
p/t // 以2进制输出
p/c  // 打印字符
x   // 读取内存 （等价于 memory read）
memory read   // 读取内存
x/4gx    // 读取4段内存(每段8字节，即32字节)
x/6gx    // 读取6段内存(每段8字节，即48字节)
x/8gx    // 读取8段内存(每段8字节，即64字节)
po <expr>     // 打印对象的 description 方法的结果
help      // 列出所有的命令
help <command>       // 列出某个命令更多的细节，例如 help print

移位运算
比如有一段8位的内存，我们如何从取出【2-6】位上的值呢？请看下面示意图：

先>>2 ,然后<<3 ,最后 >>1，最后得到0111 1000。

移位运算图.png

LLVM与Clang

  1. LLVM是构架编译器(compiler)的框架系统，以C++编写而成，用于优化以任意程序语言编写的程序的编译时间(compile-time)、链接时间(link-time)、运行时间(run-time)以及空闲时间(idle-time)，对开发者保持开放，并兼容已有脚本。
  2. Clang是一个C++编写、基于LLVM、发布于LLVM BSD许可证下的C/C++/Objective-C/Objective-C++编译器。比起GCC，Clang编译速度快、占用内存小、非常方便进行二次开发。

下图是LLVM和Clang的关系图


LLVM和Clang的关系图.png

总结 ：
1. Clang相当于编译过程的前端，而LLVM相当于编译过程的后端。
2. Clang侧重于语法语义分析 和生成中间代码，而LLVM侧重于代码优化，生成目标程序。
3.clang命令编译mian.c的指令:clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

最后编辑于 ：
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 人面猴
    序言：七十年代末，一起剥皮案震惊了整个滨河市，随后出现的几起案子，更是在滨河造成了极大的恐慌，老刑警刘岩，带你破解...
    沈念sama阅读 203,271评论 5赞 476
  • 死咒
    序言：滨河连续发生了三起死亡事件，死亡现场离奇诡异，居然都是意外死亡，警方通过查阅死者的电脑和手机，发现死者居然都...
    沈念sama阅读 85,275评论 2赞 380
  • 救了他两次的神仙让他今天三更去死
    文/潘晓璐 我一进店门，熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来，“玉大人，你说我怎么就摊上这事。” “怎么了？”我有些...
    开封第一讲书人阅读 150,151评论 0赞 336
  • 道士缉凶录：失踪的卖姜人
    文/不坏的土叔 我叫张陵，是天一观的道长。 经常有香客问我，道长，这世上最难降的妖魔是什么？ 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 54,550评论 1赞 273
  • 港岛之恋（遗憾婚礼）
    正文 为了忘掉前任，我火速办了婚礼，结果婚礼上，老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己，他们只是感情好，可当我...
    茶点故事阅读 63,553评论 5赞 365
  • 恶毒庶女顶嫁案：这布局不是一般人想出来的
    文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着，像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上，一...
    开封第一讲书人阅读 48,559评论 1赞 281
  • 城市分裂传说
    那天，我揣着相机与录音，去河边找鬼。 笑死，一个胖子当着我的面吹牛，可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播，决...
    沈念sama阅读 37,924评论 3赞 395
  • 双鸳鸯连环套：你想象不到人心有多黑
    文/苍兰香墨 我猛地睁开眼，长吁一口气：“原来是场噩梦啊……” “哼！你这毒妇竟也来了？” 一声冷哼从身侧响起，我...
    开封第一讲书人阅读 36,580评论 0赞 257
  • 万荣杀人案实录
    序言：老挝万荣一对情侣失踪，失踪者是张志新（化名）和其女友刘颖，没想到半个月后，有当地人在树林里发现了一具尸体，经...
    沈念sama阅读 40,826评论 1赞 297
  • 护林员之死
    正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡，尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 35,578评论 2赞 320
  • 白月光启示录
    正文 我和宋清朗相恋三年，在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 37,661评论 1赞 329
  • 活死人
    序言：一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡，死状恐怖，灵堂内的尸体忽然破棺而出，到底是诈尸还是另有隐情，我是刑警宁泽，带...
    沈念sama阅读 33,363评论 4赞 318
  • 日本核电站爆炸内幕
    正文 年R本政府宣布，位于F岛的核电站，受9级特大地震影响，放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜，却给世界环境...
    茶点故事阅读 38,940评论 3赞 307
  • 男人毒药：我在死后第九天来索命
    文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹，春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 29,926评论 0赞 19
  • 一桩弑父案，背后竟有这般阴谋
    文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至，却和暖如春，着一层夹袄步出监牢的瞬间，已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 31,156评论 1赞 259
  • 情欲美人皮
    我被黑心中介骗来泰国打工， 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留，地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 42,872评论 2赞 349
  • 代替公主和亲
    正文 我出身青楼，却偏偏与公主长得像，于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子，可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 42,391评论 2赞 342