iOS 底層探索： 學習大綱 OC篇

前言

• 這篇主要內(nèi)容探索 類與isa是如何關(guān)聯(lián)的。
• 在之前iOS底層探索 alloc&init這篇文章中，我們知道了_class_createInstanceFromZone方法的關(guān)鍵三步：
  a. 獲取實例的內(nèi)存空間大小: cls->instanceSize()
b. 根據(jù)內(nèi)存大小，分配內(nèi)存空間，讓實例指向內(nèi)存開始地址: calloc
c. 關(guān)聯(lián)isa，實例的isa指向類: obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor)， 結(jié)合位運算、聯(lián)合體、位域和結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存對齊的知識，我們探索oc對象的本質(zhì)從關(guān)聯(lián)isa，實例的isa指向類開始。

準備工作

先大概了解一個編譯器：clang :

• clang是一個由Apple主導編寫，基于LLVM的C/C++/OC的編譯器,主要是用于底層編譯，將一些文件``輸出成c++文件，例如main.m 輸出成main.cpp;
• 其目的是為了更好的觀察底層的一些結(jié)構(gòu) 及 實現(xiàn)的邏輯，方便理解底層原理。

一 、查看類的編譯源碼

1 .打開終端，cd到文件目錄下，利用clang將main.m編譯成 main.cpp .

//1、將 main.m 編譯成 main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

其他舉例：

//1、將 ViewController.m 編譯成  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

//以下兩種方式是通過指定架構(gòu)模式的命令行，使用xcode工具 xcrun
//2、模擬器文件編譯
- xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 

//3、真機文件編譯
- xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp 

2 .打開 main.cpp， 找到HJPerson，發(fā)現(xiàn)HJPerson在底層會被編譯成 struct 結(jié)構(gòu)體

點擊NSObject_IMPL 跳轉(zhuǎn)可以得到 isa

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

先看這里：

struct HJPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_name;
};

這里的知識點：

• HJPerson中的第一個屬性 NSObject_IVARS 等效于 NSObject中的isa, 每個類中都有默認屬性isa ；

二 、翻開objc源碼 可以看到 NSObject的isa 也是class類型

@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

現(xiàn)在我們通過clang 看到類被編譯成結(jié)構(gòu)體之后，找到isa ，那么isa是如何關(guān)聯(lián)類的信息的呢？
我們可以在 _class_createInstanceFromZone 的核心方法的第三步：關(guān)聯(lián)isa，實例的isa指向類: obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor)中找到答案，這里做了一系列操作isa和類信息的操作，我們再去查看initInstanceIsa 內(nèi)部源碼

inline void
objc_object::initProtocolIsa(Class cls)
{
    return initClassIsa(cls);
}

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

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

//排隊
inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
//斷言
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
//關(guān)鍵代碼： 初始化isa
        isa = isa_t((uintptr_t)cls);
    } else {
//禁用非指針I(yè)sa
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
//實例需要原始Isa
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
//關(guān)鍵代碼： 初始化isa
        isa_t newisa(0);

#if SUPPORT_INDEXED_ISA
        ASSERT(cls->classArrayIndex() > 0);

        newisa.bits = ISA_INDEX_MAGIC_VALUE;
        // isa.magic是ISA_MAGIC_VALUE的一部分
         // isa.nonpointer是ISA_MAGIC_VALUE的一部分
        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;
    }
}

重要代碼：isa_t： 指針的初始化

• isa = isa_t((uintptr_t)cls);
• isa_t newisa(0);

關(guān)鍵單詞：nonpointer 非指針

三 、繼續(xù)探索isa_t是怎么做的，我們再次進入源碼跳轉(zhuǎn)到isa_t內(nèi)部如下：

union isa_t { //聯(lián)合體 isa_t
//兩個初始化方法
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
 //一個Class
    Class cls;
//一個 bits 。 uintptr_t ：在64位的機器上，intptr_t和uintptr_t分別是long int、unsigned long int的別名
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
// ISA_BITFIELD 這是一個宏 
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

從union isa_t定義可以看出：

• 提供了兩個成員，cls 和 bits，由聯(lián)合體的定義所知，這兩個成員是互斥的，也就意味著，當初始化isa指針時，有兩種初始化方式

  1. 通過cls初始化，bits無默認值

  2. 通過bits初始化，cls有默認值

• 還提供了一個結(jié)構(gòu)體定義的位域，用于存儲類信息及其他信息，結(jié)構(gòu)體的成員ISA_BITFIELD，這是一個宏定義，有兩個版本 arm64（對應(yīng)ios 移動端） 和 x86_64（對應(yīng)macOS），以下是它們的一些宏定義，如下圖所示：
  

  ISA_BITFIELD

注：

• nonpointer有兩個值，表示自定義的類等，占1位
  0：純isa指針
  1：不只是類對象地址，isa中包含了類信息、對象的引用計數(shù)等

• has_assoc表示關(guān)聯(lián)對象標志位，占1位
  0：沒有關(guān)聯(lián)對象
  1：存在關(guān)聯(lián)對象

• has_cxx_dtor 表示該對象是否有C++/OC的析構(gòu)器（類似于dealloc），占1位如果有析構(gòu)函數(shù)，則需要做析構(gòu)邏輯
  如果沒有，則可以更快的釋放對象， 析構(gòu)函數(shù) 類似于 oc層面的 dealloc；

• shiftclx表示存儲類的指針的值（類的地址）， 即類信息arm64中占 33位，開啟指針優(yōu)化的情況下，在arm64架構(gòu)中有33位用來存儲類指針x86_64中占 44位；

• magic 用于調(diào)試器判斷當前對象是真的對象 還是 沒有初始化的空間，占6位；

• weakly_refrenced是 指對象是否被指向 或者 曾經(jīng)指向一個ARC的弱變量， 沒有弱引用的對象可以更快釋放deallocating 標志對象是是否正在釋放內(nèi)存；

• has_sidetable_rc表示 當對象引用計數(shù)大于10時，則需要借用該變量存儲進位；

• extra_rc（額外的引用計數(shù)） --- 表示該對象的引用計數(shù)值，實際上是引用計數(shù)值減1， 如果對象的引用計數(shù)為10，那么extra_rc為9；

針對兩種不同平臺，其isa的存儲情況如圖所示

結(jié)構(gòu)體的成員ISA_BITFIELD排列情況

我們lldb 調(diào)試 可以看到經(jīng)過一系列賦值 將HJPerson類信息存進了shiftcls中

注：
為什么在shiftcls賦值時(newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3)需要類型強轉(zhuǎn)？

因為內(nèi)存的存儲不能存儲字符串，機器碼只能識別 0 、1這兩種數(shù)字，所以需要將其轉(zhuǎn)換為uintptr_t數(shù)據(jù)類型，這樣shiftcls中存儲的類信息才能被機器碼理解， 其中uintptr_t是long。

至此，我們得出結(jié)論：在isa初始化obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor)的時候，通過isa_t聯(lián)合體，在位域運算中，將類信息cls存進了存儲類的指針的值shiftclx , 最后isa = newisa;isa中既有HJPerson的指針，又有HJPerson的信息。就這樣isa與類關(guān)聯(lián)到一起了。

四 、拓展 驗證 isa 與 類 的關(guān)聯(lián)

簡單點 我們在x86_64中通過isa & ISA_MSAK驗證

image.png

流程：

• 1.在_class_createInstanceFromZone方法，此時cls 與isa已經(jīng)關(guān)聯(lián)完成，執(zhí)行po objc

• 2.執(zhí)行x/4gx obj,得到isa指針的地址0x001d8001000021fd

• 3.將isa指針地址 & ISA_MASK（處于macOS，使用x86_64中的宏定義），即 po 0x001d8001000021fd & 0x00007ffffffffff8，得出HJPerson.x86_64中，ISA_MASK 宏定義的值為0x00007ffffffffff8ULL

image.png

good~~~加油！