Objective-C是一門動態(tài)性比較強的編程語言，跟C、C++等語言有著很大的不同。
什么叫動態(tài)性？
一般應(yīng)用程序運行需要經(jīng)過三步：編寫代碼 -> 編譯 -> 運行，如果是C語言，編譯之后方法就確定了，運行的時候就會調(diào)用那個方法。但是對于OC，由于其動態(tài)性，就算編譯完了，也可以在程序運行時決定調(diào)用哪個方法，而且就算沒有實現(xiàn)某個方法，也可在運行的時候動態(tài)生成某個方法。
Objective-C的動態(tài)性是由Runtime API來支撐的，Runtime API基本是開源的，源碼在https://opensource.apple.com/tarballs/搜索objc,點擊objc4文件夾進去,下載一個最新的(數(shù)字最大的)。
Runtime API提供的接口基本都是C語言的，源碼由C\C++\匯編語言編寫。
一. isa類型
在isa指針和superclass指針簡單講了，實例對象的isa&ISA_MASK得到類對象的地址值，類對象的isa&ISA_MASK得到元類對象的地址值。
要想學(xué)習(xí)Runtime，首先要了解它底層的一些常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如isa指針。在arm64架構(gòu)之前，isa就是一個普通的指針，的確存儲著類對象、元類對象的內(nèi)存地址，從arm64架構(gòu)開始，對isa進行了優(yōu)化，變成了一個共用體（union）結(jié)構(gòu)，還使用位域來存儲更多的信息。
在objc4搜索“objc_object {”
struct objc_object {
private:
isa_t isa; //64位之前是Class isa
......
}
發(fā)現(xiàn)，64位之后isa是isa_t類型的，isa_t是共用體（在isa指針和superclass指針中，我們知道，64位之前isa是Class類型的）進入isa_t:
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 : 33;
uintptr_t magic : 6;
uintptr_t weakly_referenced : 1;
uintptr_t deallocating : 1;
uintptr_t has_sidetable_rc : 1;
uintptr_t extra_rc : 19;
};
};
二. 為什么要設(shè)計成共用體？
創(chuàng)建一個MJPerson對象，里面有三個屬性，創(chuàng)建對象，并且打印對象占用內(nèi)存大小。
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
MJPerson *person = [[MJPerson alloc] init];
person.rich = YES; // 1字節(jié)
person.tall = NO; // 1字節(jié)
person.handsome = NO; // 1字節(jié)
NSLog(@"tall:%d rich:%d hansome:%d", person.isTall, person.isRich, person.isHandsome);
NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([MJPerson class])); //16字節(jié)
}
return 0;
}
打印為16字節(jié)（isa指針占8字節(jié)，BOOL值一共占用3字節(jié)，一共11字節(jié)，再加上內(nèi)存對齊，所以是16字節(jié)）
有沒有占用內(nèi)存更小的方式實現(xiàn)給MJPerson添加三個BOOL屬性呢？
方式一：char類型的位運算
8位二進制是一個字節(jié)(0b0000 0000)，BOOL值只有0和1兩個值，所以其實我們可以使用一個字節(jié)(最后3位)來表示這三個值。
原理很簡單，先使用一個char類型的成員變量保存這三個屬性：
- 取值：
使用掩碼的按位與運算，想取出哪一位的值，就把哪一位置為1，其他為0。 - 設(shè)值：
使用掩碼按位或運算，可以將某一位置為1，而不改變其他位，實現(xiàn)設(shè)置YES。
使用掩碼取反的按位與運算，將某一位置為0，而不改變其他位，實現(xiàn)設(shè)置NO。
詳細(xì)見代碼和注釋：
MJPerson.m
#import <Foundation/Foundation.h>
@interface MJPerson : NSObject
//@property (assign, nonatomic, getter=isTall) BOOL tall;
//@property (assign, nonatomic, getter=isRich) BOOL rich;
//@property (assign, nonatomic, getter=isHansome) BOOL handsome;
- (void)setTall:(BOOL)tall;
- (void)setRich:(BOOL)rich;
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome;
- (BOOL)isTall;
- (BOOL)isRich;
- (BOOL)isHandsome;
@end
MJPerson.h
#import "MJPerson.h"
//什么是位運算？與或非運算 (& | ~) 感嘆號!是給BOOL值取反的
//按位“與”，都是1結(jié)果才是1，其他結(jié)果都是0
//開發(fā)中使用掩碼的按位與運算來取出特定位的值，想取出哪一位的值，就把哪一位置為1，其他為0
// 0000 0111
//&0000 0100
//------
// 0000 0100
//掩碼按位或運算，可以將某一位置為1，而不改變其他位
//掩碼取反的按位與運算，將某一位置為0,而不改變其他位
// 掩碼，一般用來做按位與(&)運算的
//#define MJTallMask 0b00000001
//#define MJRichMask 0b00000010
//#define MJHandsomeMask 0b00000100
#define MJTallMask (1<<0) //1往左位移0位
#define MJRichMask (1<<1) //1往左位移1位
#define MJHandsomeMask (1<<2) //1往左位移2位
@interface MJPerson()
{
char _tallRichHansome; //只占一個字節(jié) 0b 0000 0000
}
@end
@implementation MJPerson
- (instancetype)init
{
if (self = [super init]) {
_tallRichHansome = 0b00000100;
}
return self;
}
- (void)setTall:(BOOL)tall
{
if (tall) {
//掩碼的按位或運算，將某一位置為1
_tallRichHansome |= MJTallMask;
} else {
//掩碼取反的按位與運算，將某一位置為0
_tallRichHansome &= ~MJTallMask;
}
}
- (BOOL)isTall
{
//與運算之后，結(jié)果要么是0要么有值，但是我們需要的是BOOL值，怎么轉(zhuǎn)換呢？
//取反，再取反
return !!(_tallRichHansome & MJTallMask);
}
- (void)setRich:(BOOL)rich
{
if (rich) {
_tallRichHansome |= MJRichMask;
} else {
_tallRichHansome &= ~MJRichMask;
}
}
- (BOOL)isRich
{
return !!(_tallRichHansome & MJRichMask);
}
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome
{
if (handsome) {
_tallRichHansome |= MJHandsomeMask;
} else {
_tallRichHansome &= ~MJHandsomeMask;
}
}
- (BOOL)isHandsome
{
return !!(_tallRichHansome & MJHandsomeMask);
}
@end
上面即可實現(xiàn)使用一個字節(jié)給MJPerson對象添加三個BOOL屬性。
方式二：結(jié)構(gòu)體的位域
上面使用了一個char類型的位運算來實現(xiàn)，其實還可以使用結(jié)構(gòu)體的位域來實現(xiàn)，也是占一個字節(jié)。
#import "MJPerson.h"
@interface MJPerson()
{
//char占一個字節(jié)，8位
//結(jié)構(gòu)體支持位域，使用:1代表只占一位,這時候就不看左邊的char了
//這時候整個結(jié)構(gòu)體就占3位，系統(tǒng)不可能分配3位給它，所以至少占用一個字節(jié)
struct {
char tall : 1;
char rich : 1;
char handsome : 1;
} _tallRichHandsome; // 0b0000 0000
//最后三位放上面的值，而且前面的成員放在最右邊(tall最后一位，rich倒數(shù)第二位，handsome倒數(shù)第三位)
}
@end
@implementation MJPerson
- (void)setTall:(BOOL)tall
{
_tallRichHandsome.tall = tall;
}
- (BOOL)isTall
{
//將0b1 -> 0b0000 0000
//BOOL值是8位二進制，但是我們存下來的是一位(0b1),如何將一位轉(zhuǎn)成8位二進制呢？取反再取反
//如果不做兩次取反操作，系統(tǒng)會自動把所有的0都b賦值為1，就是0b1 -> 0b1111 1111，就不對了
return !!_tallRichHandsome.tall;
}
- (void)setRich:(BOOL)rich
{
_tallRichHandsome.rich = rich;
}
- (BOOL)isRich
{
return !!_tallRichHandsome.rich;
}
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome
{
_tallRichHandsome.handsome = handsome;
}
- (BOOL)isHandsome
{
return !!_tallRichHandsome.handsome;
}
@end
代碼比較簡單，可自行看注釋。下面驗證，執(zhí)行代碼：
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
MJPerson *person = [[MJPerson alloc] init];
person.rich = YES;
person.tall = YES;
person.handsome = YES;
NSLog(@"tall:%d rich:%d hansome:%d", person.isTall, person.isRich, person.isHandsome);
}
return 0;
}
打斷點，打印內(nèi)存：
(lldb) p/x &(person->_tallRichHandsome)
((anonymous struct) *) $0 = 0x00000001005236a8
(lldb) x 0x00000001005236a8
0x1005236a8: 07 00 00 00 00 00 00 00 b1 41 ec ae ff ff 1d 00 .........A......
0x1005236b8: 8c 07 00 00 01 00 00 00 33 73 75 69 74 65 2f 49 ........3suite/I
打印_tallRichHandsome地址，查看內(nèi)存，可以看出這個地址值為7，轉(zhuǎn)成二進制就是0b0000 0111，說明代碼沒問題。
方式三：共同體
isa就是使用了共同體，共用體里面的成員共用一塊內(nèi)存。
如下，結(jié)構(gòu)體：
struct Date {
int year; //4字節(jié)
int month; //4字節(jié)
int day; //4字節(jié)
};
它在內(nèi)存中結(jié)構(gòu)如下：
如果是共用體：
union Date {
int year; //4字節(jié)
int month; //4字節(jié)
int day; //4字節(jié)
};
在內(nèi)存中結(jié)構(gòu)如下：
先看如下代碼，再看代碼后的解釋：
#import "MJPerson.h"
#define MJTallMask (1<<0)
#define MJRichMask (1<<1)
#define MJHandsomeMask (1<<2)
#define MJThinMask (1<<3)
@interface MJPerson()
{
union { //共用體
char bits; //1字節(jié)
struct {
char tall : 1; //1位
char rich : 1; //1位
char handsome : 1; //1位
char thin : 1; //1位
};//這個結(jié)構(gòu)體僅僅是為了可讀性，而且自始至終一直都在操作bits，刪除這個結(jié)構(gòu)體也不影響
} _tallRichHandsome;
}
@end
@implementation MJPerson
- (void)setTall:(BOOL)tall
{
if (tall) {
_tallRichHandsome.bits |= MJTallMask;
} else {
_tallRichHandsome.bits &= ~MJTallMask;
}
}
- (BOOL)isTall
{
return !!(_tallRichHandsome.bits & MJTallMask);
}
- (void)setRich:(BOOL)rich
{
if (rich) {
_tallRichHandsome.bits |= MJRichMask;
} else {
_tallRichHandsome.bits &= ~MJRichMask;
}
}
- (BOOL)isRich
{
return !!(_tallRichHandsome.bits & MJRichMask);
}
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome
{
if (handsome) {
_tallRichHandsome.bits |= MJHandsomeMask;
} else {
_tallRichHandsome.bits &= ~MJHandsomeMask;
}
}
- (BOOL)isHandsome
{
return !!(_tallRichHandsome.bits & MJHandsomeMask);
}
- (void)setThin:(BOOL)thin
{
if (thin) {
_tallRichHandsome.bits |= MJThinMask;
} else {
_tallRichHandsome.bits &= ~MJThinMask;
}
}
- (BOOL)isThin
{
return !!(_tallRichHandsome.bits & MJThinMask);
}
@end
上面的代碼使用了方式一的位運算來設(shè)值和取值，使用了方式二的結(jié)構(gòu)體位域來實現(xiàn)代碼的可讀性。通過共用體將bits和結(jié)構(gòu)體結(jié)合起來，而且自始至終一直都在操作bits，沒有動結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體僅僅是為了可讀性，所以不會影響bits里面的值，刪除這個結(jié)構(gòu)體也不影響。
這種方式就是巧妙的利用共用體，達到了代碼可讀性的目的。
三. isa_t的共用體
現(xiàn)在看isa_t的共用體你應(yīng)該就很容易理解了。
union isa_t
{
Class cls;
uintptr_t bits;
# if __arm64__
# define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL
# define ISA_MAGIC_MASK 0x000003f000000001ULL
# define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
struct {
//0，代表普通的指針，存儲著Class、Meta-Class對象的內(nèi)存地址
//1，代表優(yōu)化過，使用位域存儲更多的信息
uintptr_t nonpointer : 1;
//是否有設(shè)置過關(guān)聯(lián)對象，如果沒有，釋放時會更快
uintptr_t has_assoc : 1;
//是否有C++的析構(gòu)函數(shù)（.cxx_destruct），如果沒有，釋放時會更快
uintptr_t has_cxx_dtor : 1;
//存儲著Class、Meta-Class對象的內(nèi)存地址信息
uintptr_t shiftcls : 33;
//用于在調(diào)試時分辨對象是否未完成初始化
uintptr_t magic : 6;
//是否有被弱引用指向過，如果沒有，釋放時會更快
uintptr_t weakly_referenced : 1;
//對象是否正在釋放
uintptr_t deallocating : 1;
//引用計數(shù)是否過大無法存儲在isa中
//如果為1，那么引用計數(shù)會存儲在一個叫SideTable的結(jié)構(gòu)體的refcnts成員中，refcnts是個散列表
uintptr_t has_sidetable_rc : 1;
//里面存儲的值是引用計數(shù)減1
uintptr_t extra_rc : 19;
};
};
- 可以看出64位之后，isa不僅僅用來存放地址值了，還用來存放更多的東西，所有的值都存放在bits里面。
- 冒號后面的數(shù)字就是占用多少位，加起來之后一共是64位，8個字節(jié)，這也和以前我們說的isa指針占用8字節(jié)相吻合。
- 上面的shiftcls就是存放類對象、元類對象的內(nèi)存地址信息，可以發(fā)現(xiàn)有33位。
怎么取出地址值呢？
找到上面的“define ISA_MASK 0x0000000ffffffff8ULL”用計算器轉(zhuǎn)換成二進制就是“0b111111111111111111111111111111111000”，發(fā)現(xiàn)就是33個1，就是用這個ISA_MASK來取出地址值的，詳細(xì)操作請參考：isa指針和superclass指針
我們發(fā)現(xiàn)，ISA_MASK最后三位都是0，這就導(dǎo)致：二進制下，類對象、元類對象的地址值打印出來最后三位一定都是0
真機上才是arm64架構(gòu)，我們將項目跑在真機上，打印驗證一下：
- (void)viewDidLoad {
[super viewDidLoad];
NSLog(@"%p", [ViewController class]);
NSLog(@"%p", object_getClass([ViewController class]));
NSLog(@"%p", [MJPerson class]);
NSLog(@"%p", object_getClass([MJPerson class]));
}
打?。?/p>
0x107f6ed88
0x107f6edb0
0x107f6ee50
0x107f6ee28
上面是16進制，1位16進制相當(dāng)于4位二進制，2位16進制相當(dāng)于8位二進制，8位二進制是1個字節(jié)，所以2位16進制就是1個字節(jié)。觀察上面，最后結(jié)尾不是0就是8，如果是0那末尾肯定是0b0000，如果是8那就是01000，所以驗證了上面的結(jié)論。
簡單驗證：
關(guān)于isa里面存放的其他更多信息，這里簡單驗證下：
創(chuàng)建對象，打斷點：
MJPerson *person = [[MJPerson alloc] init];
獲取對象的isa
(lldb) p/x person->isa
(Class) $0 = 0x000000010231bf40 MJPerson
將16進制轉(zhuǎn)換成二進制：
可以發(fā)現(xiàn)，一共64位，從上圖的右下到左上，分別對應(yīng)結(jié)構(gòu)體中從上往下存儲的值。
比如：右下最后一位0代表現(xiàn)在是普通的指針沒有經(jīng)過優(yōu)化過（因為我沒跑真機），右下倒數(shù)第二位0表示沒有設(shè)置過關(guān)聯(lián)對象，以此類推。
Demo地址：isa-ISA_MASK
