iOS底层原理 - 探寻Runtime本质（一）

Objective-C 扩展了 C 语言，并加入了面向对象特性和 Smalltalk 式的消息传递机制。而这个扩展的核心是一个用 C 和 编译语言 写的 Runtime 库。它是 Objective-C 面向对象和动态机制的基石。

要想学习Runtime，首先要了解它底层的一些常用数据结构，比如isa指针：

由iOS底层原理 - OC对象的本质（二）可知：

• 每个OC对象都有一个isa指针；
• instance对象的isa指向class对象；
• class对象的isa指向meta-class对象；
• OC对象的isa指针并不是直接指向class对象或者meta-class对象，而是需要&ISA_MASK通过位运算才能获取到类对象或者元类对象的地址；
  a> 在__arm64__架构之前，isa就是一个普通的指针，存储着Class对象、Meta-Class对象的内存地址；
  b> 从__arm64__架构开始，对isa进行了优化，变成了一个共用体(union)结构，还使用位域来存储更多的信息。

进入OC源码查看isa指针，进行更深入的了解：

isa结构

由上图可知：
isa指针其实是一个isa_t类型的共用体；
此共用体中包含一个结构体；
此结构体内部定义了若干变量，变量后面的值则表示该变量占用的位数，即位域。

接下来一步步分析共用体的优势。

(1) 探究

// TODO: -----------------  Person类  -----------------
@interface Person : NSObject
// 声明属性，系统会自动生成成员变量
@property (nonatomic, assign, getter=isTall) BOOL tall;
@property (nonatomic, assign, getter=isRich) BOOL rich;
@property (nonatomic, assign, getter=isHandsome) BOOL handsome;
@end

@implementation Person
@end

// TODO: -----------------  main  -----------------
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person  = [[Person alloc] init];
        person.tall = YES;
        person.rich = NO;
        person.handsome = YES;
        NSLog(@"%zd", class_getInstanceSize([Person class]));
     }
    return 0;
}

打印结果

由以上代码可知：
isa指针占8个字节，3个BOOL类型的分别占1个字节，一共11个字节。由于内存对齐原则，所以Person类对象所占内存应该为16个字节。

BOOL值包含0或1，只需要1个二进制位就可以表示出来，而现在需要占用1个字节共8个二进制位。
可以使用1个字节中的3个二进制位表示3个BOOL值，这样可以很大程度上节省内存空间。

如果声明属性，系统就会自动生成成员变量，占用的内存会大于1位；所以不可以声明属性，需要手动实现每个属性的set方法和get方法。

现在添加一个char类型的成员变量，char变量占用一个字节(8位)的内存空间，使用最后3位来存储3个BOOL值。

1个char值存储3个BOOL值

(2) 位运算

1. 补码（负数是以补码的形式表示）
   十进制正整数转换为二进制数：除2取余即可；
   十进制负整数转换为二进制数：除2取余，取反加1；

// -10用二进制表示
0b0000 0000 0000 1010 -（10除2取余）
0b1111 1111 1111 0101 -（取反）
0b1111 1111 1111 0110 -（加1）
0b1111 1111 1111 0110 -（得出-10的二进制）

2. 按位与（&）
   同真为真，其余为假：清零特定位、取出特定位；

// 按位与（&）
  0b0000 1111 0000 1111
& 0b0000 0000 1111 1111
  ---------------------
  0b0000 0000 0000 1111

3. 按位或（|）
   同假为假，其余为真：特定位置1；

// 按位或（|）
  0b0000 1111 0000 1111
| 0b0000 0000 1111 1111
  ---------------------
  0b0000 1111 1111 1111

4. 按位异或（^）
   异值为真，同值为假：特定位取反、交换两变量的值；

// 按位异或（^）
  0b0000 1111 0000 1111
^ 0b0000 0000 1111 1111
  ---------------------
  0b0000 1111 1111 0000

5. 取反（~）
   按位取反

// 取反（~）
~ 0b0000 1111 0000 1111
  ---------------------
  0b1111 0000 1111 0000

6. 左移（<<）
   按位左移，高位丢弃，低位补0；

// 左移（<<）两位
  0b1111 0000 0000 1111 << 2
  ---------------------
  0b1100 0000 0011 1100

7. 右移（>>）
   按位右移，高位正数补0，负数补1；

// 右移（>>）两位
  0b1111 0000 0000 1111 >> 2
  ---------------------
  0b0011 1100 0000 0011

(3) 手动实现属性的set方法和get方法

// TODO: -----------------  Person类  -----------------
//#define TallMask 0b00000001 // 1
//#define RichMask 0b00000010 // 2
//#define HandsomeMask 0b0000100 // 4
#define TallMask (1<<0)
#define RichMask (1<<1)
#define HandsomeMask (1<<2)

@interface Person : NSObject {
    char _tallRichHandsome;  // 0b0000 0000
}
- (void)setTall:(BOOL)tall;
- (void)setRich:(BOOL)rich;
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome;
- (BOOL)isTall;
- (BOOL)isRich;
- (BOOL)isHandsome;
@end

@implementation Person
- (void)setTall:(BOOL)tall {
    if (tall) { // 按位或 - 特定位置1
        _tallRichHandsome |= TallMask;
    } else { // 掩码先取反，后按位与 - 特定位置0
        _tallRichHandsome &= ~TallMask;
    }
}
- (void)setRich:(BOOL)rich {
    if (rich) {
        _tallRichHandsome |= RichMask;
    } else {
        _tallRichHandsome &= ~RichMask;
    }
}
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome {
    if (handsome) {
        _tallRichHandsome |= HandsomeMask;
    } else {
        _tallRichHandsome &= ~HandsomeMask;
    }
}
- (BOOL)isTall {
    // 按位与 - 取出特定位
    // 两次取反!，强制转换成BOOL类型
    return !!(_tallRichHandsome & TallMask);
}
- (BOOL)isRich {
    return !!(_tallRichHandsome & RichMask);
}
- (BOOL)isHandsome {
    return !!(_tallRichHandsome & HandsomeMask);
}
@end

// TODO: -----------------  main  -----------------
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person  = [[Person alloc] init];
        person.tall = YES;
        person.rich = NO;
        person.handsome = YES;
        NSLog(@"tall: %d, rich: %d, handsome: %d", person.isTall, person.isRich, person.isHandsome);
    }
    return 0;
}

打印结果

上述代码可以正常存值和取值，但是可拓展性和可读性差。

(4) 位域

位域声明：位域名 : 位域长度

• 使用位域需要注意以下3点：

1. 如果一个字节所剩空间不够存放另一位域时，应从下一单元起存放该位域；
   也可以有意使某位域从下一单元开始。
2. 位域的长度不能大于数据类型本身的长度；
   比如int类型就不能超过32位二进制位。
3. 位域可以无位域名，这时它只用来作填充或调整位置；
   无名的位域是不能使用的。

// TODO: -----------------  Person类  -----------------
@interface Person : NSObject {
    // 位域，tall、rich、handsome按序各占1个二进制位
    struct {
        char tall : 1;
        char rich : 1;
        char handsome : 1;
    } _tallRichHandsome;
}
- (void)setTall:(BOOL)tall;
- (void)setRich:(BOOL)rich;
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome;
- (BOOL)isTall;
- (BOOL)isRich;
- (BOOL)isHandsome;
@end

@implementation Person
- (void)setTall:(BOOL)tall {
    _tallRichHandsome.tall = tall;
}
- (void)setRich:(BOOL)rich {
    _tallRichHandsome.rich = rich;
}
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome {
    _tallRichHandsome.handsome = handsome;
}
- (BOOL)isTall {
    // _tallRichHandsome.tall == 0b1
    // 0b1111 1111 == -1
    return !!_tallRichHandsome.tall;
}
- (BOOL)isRich {
    return !!_tallRichHandsome.rich;
}
- (BOOL)isHandsome {
    return !!_tallRichHandsome.handsome;
}
@end

打印结果

上述代码使用结构体的位域，不需要再使用掩码，缺点是效率比使用位运算时低。

(5) 共用体

// TODO: -----------------  Person类  -----------------
#define TallMask (1<<0)
#define RichMask (1<<1)
#define HandsomeMask (1<<2)

@interface Person : NSObject {
    union { // 共用体
        char bits;
        //struct 增加代码可读性，可注释掉
        struct {
            char tall : 1;
            char rich : 1;
            char handsome : 1;
        };
    }_tallRichHandsome;
}
- (void)setTall:(BOOL)tall;
- (void)setRich:(BOOL)rich;
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome;
- (BOOL)isTall;
- (BOOL)isRich;
- (BOOL)isHandsome;
@end

@implementation Person
- (void)setTall:(BOOL)tall {
    if (tall) {
        _tallRichHandsome.bits |= TallMask;
    } else {
        _tallRichHandsome.bits &= ~TallMask;
    }
}
- (void)setRich:(BOOL)rich {
    if (rich) {
        _tallRichHandsome.bits |= RichMask;
    } else {
        _tallRichHandsome.bits &= ~RichMask;
    }
}
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome {
    if (handsome) {
        _tallRichHandsome.bits |= HandsomeMask;
    } else {
        _tallRichHandsome.bits &= ~HandsomeMask;
    }
}
- (BOOL)isTall {
    // 两次取反!，强制转换成BOOL类型
    return !!(_tallRichHandsome.bits & TallMask);
}
- (BOOL)isRich {
    return !!(_tallRichHandsome.bits & RichMask);
}
- (BOOL)isHandsome {
    return !!(_tallRichHandsome.bits & HandsomeMask);
}
@end

打印结果

上述代码使用共用体对数据进行位运算取值和赋值，效率高同时占用内存少，代码可读性高。

(6) isa详解

经过以上分析，我们可以清晰地了解到位运算、位域以及共用体的相关知识。
下面我们深入分析isa的结构：

isa结构

由上图可知：
isa_t共用体存储了8个字节64位的值，所有信息都存储在bits中，这些值在结构体中展现出来，这些值通过对bits进行掩码位运算取出。

名称	作用
nonpointer	0代表普通的指针，存储着Class，Meta-Class对象的内存地址；1代表优化过，使用位域存储更多的信息
has_assoc	是否有设置过关联对象，如果没有，释放时会更快
has_cxx_dtor	是否有C++析构函数，如果没有，释放时会更快
shiftcls	存储着Class、Meta-Class对象的内存地址信息
magic	用于在调试时分辨对象是否未完成初始化
weakly_referenced	是否有被弱引用指向过，如果没有，释放时会更快
deallocating	对象是否正在释放
has_sidetable_rc	引用计数器是否过大无法存储在isa中；如果为1，那么引用计数会存储在一个叫SideTable的类的属性中
extra_rc	里面存储的值是引用计数器减1

重点介绍一下shiftcls：
shiftcls存储着Class、Meta-Class对象的内存地址信息；
通过bits & ISA_MASK取得shiftcls的值；
而掩码ISA_MASK值为0x0000000ffffffff8ULL，说明Class、Meta-Class对象的内存地址值后三位一定为0。

接下来验证一下：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        Person *person  = [[Person alloc] init];
        person.tall = YES;
        person.rich = NO;
        person.handsome = YES;
        NSLog(@"tall: %d, rich: %d, handsome: %d", person.isTall, person.isRich, person.isHandsome);
        NSLog(@"class: %p, meta-class: %p", [Person class], object_getClass([Person class]));
    }
    return 0;
}

打印结果

由打印结果可知：
class对象的地址值为0x100001260，尾数是0；meta-class对象的地址值为0x100001238，尾数是8；在16进制下，内存地址的后三位都为0；验证结束。

总结可知：

• 从__arm64__架构开始，isa指针不只是存储了class对象或meta-class对象的地址；
• 而是使用共用体结构存储了更多信息：
  其中shiftcls存储了class或meta-class的地址；
  shiftcls需要同ISA_MASK进行按位&运算才可以取出class对象或meta-class对象的地址。