iOS開發(fā)底層探究之路

isa 與類關(guān)聯(lián)原理探究

在探究isa之前，先要理清一個(gè)概念：對(duì)象是什么？對(duì)象的本質(zhì)是什么？
首先來(lái)了解一下Clang：

Clang是由Apple主導(dǎo)編寫，是一個(gè)C語(yǔ)言、C++、Objective-C語(yǔ)言的輕量級(jí)編譯器。

因?yàn)?code>Objective-C是C、C++的超集，所以想要看到OC底層源碼結(jié)構(gòu)，我們需要借助Clang 編譯器來(lái)查看底層實(shí)現(xiàn)。

1.對(duì)象的本質(zhì)探究

創(chuàng)建工程，在main.m中添加LGPerson 類，如下圖：

探究對(duì)象本質(zhì)

打開終端，定位到當(dāng)前main.m文件位置，在終端輸入clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp，可以看到在main.m文件位置發(fā)現(xiàn)多了一個(gè)main.cpp文件：

終端生成main.cpp文件

打開main.cpp 文件，查找我們的LGPerson，如下所示：

main.cpp中的LGPerson是啥？

從上圖可知，LGPerson類對(duì)象在底層中被編譯成了一個(gè)struct結(jié)構(gòu)體。
因?yàn)樵?code>C++中結(jié)構(gòu)體是可以繼承的，LGPerson_IMPL中的第一個(gè)屬性其實(shí)就是 isa，是繼承自NSObject，屬于偽繼承，偽繼承的方式是直接將NSObject結(jié)構(gòu)體定義為LGPerson中的第一個(gè)屬性，意味著LGPerson 擁有 NSObject中的所有成員變量。

//NSObject的定義
@interface NSObject <NSObject> {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

//NSObject 的底層編譯
struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

//LGPerson的底層編譯
struct LGPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; // 等效于 Class isa;
    NSString *_name;
};

總結(jié)

OC對(duì)象的本質(zhì)就是結(jié)構(gòu)體 .
LGPerson中的isa就是繼承自NSObject中的isa.

2.objc_setProperty 探究

上面所展示的main.cpp中LGPerson相關(guān)信息中，我們還看到屬性變量name的set和get方法，如下圖所示：

屬性的get與set

可以看到，set方法是通過(guò)Runtime 中的objc_setProperty方法實(shí)現(xiàn)的。
現(xiàn)在我們來(lái)看看這個(gè)objc_setProperty是如何一步一步實(shí)現(xiàn)的：

在objc4_781源碼中全局搜索objc_setProperty，找到如下：

objc_setProperty實(shí)現(xiàn)
接著，我們繼續(xù)進(jìn)入reallySetProperty方法：

reallySetProperty實(shí)現(xiàn)

通過(guò)查看objc_setProperty方法的實(shí)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)上層屬性的set方法到底層的set方法經(jīng)過(guò)objc_setProperty方法處理之后，已經(jīng)失去了痕跡，只是帶進(jìn)來(lái)了每個(gè)set方法特有的_cmd，可想而知，objc_setProperty就是上層set和下層set的一個(gè)中間關(guān)聯(lián)層。

objc_setProperty 是關(guān)聯(lián)上層set和下層set的一個(gè)中間接口。
這么設(shè)計(jì)的原因是，大量的上層set會(huì)產(chǎn)生大量的臨時(shí)變量。
基于上述原因，蘋果采用了適配器設(shè)計(jì)模式（即將底層接口適配為客戶端需要的接口），對(duì)外提供一個(gè)接口，供上層的set方法使用，對(duì)內(nèi)調(diào)用底層的set方法，使其相互不受影響，即無(wú)論上層怎么變，下層都是不變的，或者下層的變化也無(wú)法影響上層，主要是達(dá)到上下層接口隔離的目的。
大致可以用下圖表示上層、接口隔離層、底層關(guān)系：

上層、接口隔離層、底層關(guān)系

3. isa類型isa_t分析

在分析isa_t之前我們先了解一下聯(lián)合體和結(jié)構(gòu)體的區(qū)別：

結(jié)構(gòu)體

結(jié)構(gòu)體是指把不同的數(shù)據(jù)組合成一個(gè)整體，其變量是共存的，變量不管是否使用，都會(huì)分配內(nèi)存。

缺點(diǎn)：所有屬性都分配內(nèi)存，比較浪費(fèi)內(nèi)存，假設(shè)有4個(gè)int成員，一共分配了16字節(jié)的內(nèi)存，但是在使用時(shí)，你只使用了4字節(jié)，剩余的12字節(jié)就是屬于內(nèi)存的浪費(fèi)。
優(yōu)點(diǎn)：存儲(chǔ)容量較大，包容性強(qiáng)，且成員之間不會(huì)相互影響。

聯(lián)合體

聯(lián)合體也是由不同的數(shù)據(jù)類型組成，但其變量是互斥的，所有的成員共占一段內(nèi)存。而且共用體采用了內(nèi)存覆蓋技術(shù)，同一時(shí)刻只能保存一個(gè)成員的值，如果對(duì)新的成員賦值，就會(huì)將原來(lái)成員的值覆蓋掉。

缺點(diǎn)：包容性弱。
優(yōu)點(diǎn)：所有成員共用一段內(nèi)存，使內(nèi)存的使用更為精細(xì)靈活，同時(shí)也節(jié)省了內(nèi)存空間。

兩者的區(qū)別

內(nèi)存占用情況
- 結(jié)構(gòu)體的各個(gè)成員會(huì)占用不同的內(nèi)存，互相之間沒有影響
- 共用體的所有成員占用同一段內(nèi)存，修改一個(gè)成員會(huì)影響其余所有成員
內(nèi)存分配大小
- 結(jié)構(gòu)體內(nèi)存 >= 所有成員占用的內(nèi)存總和（成員之間可能會(huì)有縫隙）
- 共用體占用的內(nèi)存等于最大的成員占用的內(nèi)存

下面我們就來(lái)分析分析isa到底是啥：

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的類型isa_t上圖所示，是一個(gè)union聯(lián)合體。使用聯(lián)合體的原因，是為了節(jié)省內(nèi)存，這里的內(nèi)存優(yōu)化是指在isa指針中通過(guò)char + 位域（即二進(jìn)制中每一位均可表示不同的信息）。

isa_t聯(lián)合體提供了兩個(gè)成員，cls和 bits ，他們的關(guān)系的互斥的，但是根據(jù)聯(lián)合體的定義（從前往后排列），初始化isa時(shí)，會(huì)有兩種方式：
- 通過(guò)cls初始化，bits無(wú)默認(rèn)值。
- 通過(guò)bits初始化，cls有默認(rèn)值。
isa_t還提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)體類型的位域，用于存儲(chǔ)類信息及其他信息，結(jié)構(gòu)體的成員ISA_BITFIELD，這是一個(gè)宏定義，有兩個(gè)版本 __arm64__（對(duì)應(yīng)ios移動(dòng)端）和 __x86_64__（對(duì)應(yīng)macOS），以下是它們的一些宏定義，如下圖所示

ISA_BITFIELD結(jié)構(gòu)圖
nonpointer：表示是否對(duì)isa指針開啟指針優(yōu)化
- 0:純isa指針
- 1:不止是類對(duì)象地址，isa中包含了類信息、對(duì)象的引用計(jì)數(shù)等
has_assoc：關(guān)聯(lián)對(duì)象標(biāo)志位
- 0：沒有關(guān)聯(lián)對(duì)象
- 1：存在關(guān)聯(lián)對(duì)象
has_cxx_dtor：該對(duì)象是否有C++或者Objc的析構(gòu)器，如果有析構(gòu)函數(shù)，在對(duì)象釋放的時(shí)候就需要做析構(gòu)處理，沒有的話則會(huì)釋放的更快
shiftcls：存儲(chǔ)類指針的值。開啟指針優(yōu)化的情況下，在arm64架構(gòu)中有33位用來(lái)存儲(chǔ)類指針
magic：用于調(diào)試器判斷當(dāng)前對(duì)象是真的對(duì)象還是沒有初始化的空間
weakly_referenced：此對(duì)象是否指向或者曾經(jīng)指向一個(gè)ARC的弱變量，沒有弱引用的話，能更快地釋放對(duì)象
deallocation：標(biāo)志對(duì)象是否正在釋放內(nèi)存
has_sidetable_rc：當(dāng)對(duì)象引用計(jì)數(shù)大于10時(shí)，則需要借用該變量存儲(chǔ)計(jì)數(shù)
extra_rc：當(dāng)表示該對(duì)象的引用計(jì)數(shù)值，實(shí)際上是引用計(jì)數(shù)值減1，例如，如果對(duì)象的引用計(jì)數(shù)為10，那么extra_rc為9。如果引用計(jì)數(shù)大于10，則需要使用到下面的has_sidetable_rc。

4.isa初始化探究

下面我們就來(lái)看看isa_t類型的isa初始化情況，跟蹤源碼alloc底層實(shí)現(xiàn)我們來(lái)到initInstanceIsa方法，

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);//通過(guò) cls 初始化isa 
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());

        isa_t newisa(0);//通過(guò) 

#if SUPPORT_INDEXED_ISA  //  0 
        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  //進(jìn)入下面代碼 
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;  //初始化 bits 信息
        // 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;//初始化 shiftcls信息
#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;
    }
}

initIsa 方法就是通過(guò)兩種不同的初始化方式來(lái)初始化isa,根據(jù)nonpointer來(lái)判斷。

5.isa與類的關(guān)聯(lián)

調(diào)試跟蹤上圖的isa初始化過(guò)程,可以分析處isa是如何一步一步與類關(guān)聯(lián)起來(lái)的,首先打下斷點(diǎn)，一步一步調(diào)試：

5.1 isa初始化調(diào)試

斷點(diǎn)p打印結(jié)果分別為：

(lldb) p newisa
(isa_t) $0 = {
  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
  }
}
(lldb) p newisa
(isa_t) $1 = {
  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
  }
}
(lldb) p newisa
(isa_t) $2 = {
  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
  }
}

三步打印結(jié)果為下圖所示：

5.2 isa初始化三部曲

綜上所述，最后一個(gè)斷點(diǎn)即isa初始化結(jié)束時(shí)，已經(jīng)可以看出isa的cls即為L(zhǎng)GPerson，且isa中的指針的shiftcls中存儲(chǔ)了類的信息，那接下來(lái)我們可以通過(guò)幾種方式驗(yàn)證一下：

1.通過(guò)initIsa方法中的newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;驗(yàn)證
2.通過(guò)isa指針地址與ISA_MSAK 的值 & 來(lái)驗(yàn)證
3.通過(guò)runtime的方法object_getClass驗(yàn)證
4.通過(guò)位運(yùn)算驗(yàn)證

方式一：斷點(diǎn)停在1位置，lldb命令p打印(uintptr_t)cls及 (uintptr_t)cls >> 3，然后繼續(xù)停在斷點(diǎn)3位置，p newisa發(fā)現(xiàn)此時(shí)isa中的shiftcls的值剛好與(uintptr_t)cls >> 3 相等，而且cls與LGPerson綁定上了。

拓展：

為什么在shiftcls賦值時(shí)需要類型強(qiáng)轉(zhuǎn)？

因?yàn)閮?nèi)存的存儲(chǔ)不能存儲(chǔ)字符串，機(jī)器碼只能識(shí)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(chǔ)的類信息才能被機(jī)器碼理解，其中uintptr_t是long

為什么需要右移3位？

主要是由于shiftcls處于isa指針地址的中間部分，前面還有3個(gè)位域，為了不影響前面的3個(gè)位域的數(shù)據(jù)，需要右移將其抹零。

方式二：回到_class_createInstanceFromZone方法中，我們?cè)?code>return obj前打下斷點(diǎn)：

利用 x/4gx 獲取當(dāng)前obj的指針地址，然后進(jìn)行& ISA_MASK 操作。

方式三：通過(guò)runtime的api，即object_getClass函數(shù)獲取類信息
查看object_getClass函數(shù) 源碼的實(shí)現(xiàn)：

Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

inline Class 
objc_object::getIsa() 
{
    if (fastpath(!isTaggedPointer())) return ISA();

    extern objc_class OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer;
    uintptr_t slot, ptr = (uintptr_t)this;
    Class cls;

    slot = (ptr >> _OBJC_TAG_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_SLOT_MASK;
    cls = objc_tag_classes[slot];
    if (slowpath(cls == (Class)&OBJC_CLASS_$___NSUnrecognizedTaggedPointer)) {
        slot = (ptr >> _OBJC_TAG_EXT_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_EXT_SLOT_MASK;
        cls = objc_tag_ext_classes[slot];
    }
    return cls;
}

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
}

(Class)(isa.bits & ISA_MASK);，強(qiáng)轉(zhuǎn) 而且此步還進(jìn)行了 & 操作，這與方式二中的原理是一致的，獲得當(dāng)前的類信息

方式四：位運(yùn)算
回到_class_createInstanceFromZone方法中，x/4gx打印此時(shí)obj的存儲(chǔ)信息，此時(shí)isa中的shiftcls此時(shí)占44位（因?yàn)樘幱?code>macOS環(huán)境

位運(yùn)算驗(yàn)證方式

首先，通過(guò)x/4gx obj獲取當(dāng)前obj 的存儲(chǔ)信息，拿到指針地址0x001d8001000020f1
p/x 0x001d8001000020f1 >> 3 右移三位，右邊三位抹0
p/x 0x0003b0002000041e << 20 左移20位，因?yàn)橹坝乙?code>3位后，最左邊補(bǔ)了3位0，加上之前的17位，所以想要抹掉左邊的，必須左移20位
p/x 0x0002000041e00000 >> 17 最后右移17，使存儲(chǔ)信息的shiftcls回到原來(lái)的位置。
最后利用p/x cls打印結(jié)果地址剛好與上方位運(yùn)算結(jié)果一致。

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iOS底層 - isa與類關(guān)聯(lián)的原理

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isa 與類關(guān)聯(lián)原理探究

1.對(duì)象的本質(zhì)探究

總結(jié)

2.objc_setProperty 探究

3. isa類型isa_t分析

結(jié)構(gòu)體

聯(lián)合體

兩者的區(qū)別

4.isa初始化探究

5.isa與類的關(guān)聯(lián)

拓展：

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isa 與類關(guān)聯(lián)原理探究

1.對(duì)象的本質(zhì)探究

總結(jié)

2.objc_setProperty 探究

3. isa類型isa_t分析

結(jié)構(gòu)體

聯(lián)合體

兩者的區(qū)別

4.isa初始化探究

5.isa與類的關(guān)聯(lián)

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