iOS底层原理探索— Runtime之isa的本质

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今天继续带领大家探索iOS之Runtime的本质。

前言

OC是一门动态性比较强的编程语言，它的动态性是基于Runtime的API。Runtime在我们的实际开发中占据着重要的地位，在面试过程中也经常遇到Runtime相关的面试题，我们在之前几期的探索分析时也经常会到Runtime的底层源码中查看相关实现。Runtime对于iOS开发者的重要性不言而喻，想要学习和掌握Runtime的相关技术，就要从Runtime底层的一些常用数据结构入手。掌握了它的底层结构，我们学习起来也能达到事半功倍的效果。今天先学习isa。

isa

我们在iOS底层原理探索—OC对象的本质一文中讲解OC对象本质的时候提到，每个OC对象的底层结构体中都包含一个isa指针：

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

在arm64架构之前，isa仅是一个指针，保存着类对象(Class)或元类对象(Meta-Class)的内存地址，在arm64架构之后，苹果对isa进行了优化，变成了一个isa_t类型的共用体(union)结构，同时使用位域来存储更多的信息：

isa.h中objc_object部分代码.png

也就是说，我们之前熟知的OC对象的 isa指针并不是直接指向类对象或者元类对象的内存地址，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。

现在大家可能心存疑问，什么是共用体？什么是位域？位运算又是什么？不要着急，接下来一一为大家解答。

1、位域

位域是指信息在存储时，并不需要占用一个完整的字节， 而只需占一个或几个二进制位。例如生活中的电灯开关，它只有“开”、“关”两种状态，那我们就可以用 1 和 0 来分别代表这两种状态，这样我们就仅仅用了一个二进制位就保存了开关的状态。这样一来不仅节省存储空间，还使处理更加简便。

2、位运算符

在计算机语言中，除了加、减、乘、除等这样的算术运算符之外还有很多运算符，这里只为大家简单讲解一下位运算符。
位运算符用来对二进制位进行操作，当然，操作数只能为整型和字符型数据。C语言中六种位运算符： & 按位与、 | 按位或、 ^ 按位异或、 ~ 非、 << 左移和 >> 右移。
我们依旧引用上面的电灯开关论，只不过现在我们有两个开关，1代表开，0代表关。

1) 按位与 &

有0出0，全1为1。

按位与.png

我们可以理解为在按位与运算中，两个开关是串联的，如果我们想要灯亮，需要两个开关都打开灯才会亮，所以是 1 & 1 = 1。如果任意一个开关没打开，灯都不会亮，所以其他运算都是0。

2) 按位或 |

有1出1，全0出0。

按位或.png

在按位或运算中，我们可以理解为两个开关是并联的，即一个开关开，灯就会亮。只有当两个开关都是关的，灯才不会亮。

3) 按位异或 ^

相同为0，不同为1。

按位异或.png

4) 非 ~

非运算即取反运算，在二进制中 1 变 0 ，0 变 1。例如110101进行非运算后为001010，即1010。

5) 左移 <<

左移运算就是把<<左边的运算数的各二进位全部左移若干位，移动的位数即<<右边的数的数值，高位丢弃，低位补0。
左移n位就是乘以2的n次方。例如：a<<4是指把a的各二进位向左移动4位。如a=00000011(十进制3)，左移4位后为00110000(十进制48)。

6) 右移 >>

右移运算就是把>>左边的运算数的各二进位全部右移若干位，>>右边的数指定移动的位数。例如：设 a=15，a>>2 表示把00001111右移为00000011(十进制3)。

简单了解了位运算符后，下面为大家介绍位运算符的两种运用场景。

位运算符的运用

1、取值

可以利用按位与 & 运算取出指定位的值，具体操作是想取出哪一位的值就将那一位置为1，其它位都为0，然后同原数据进行按位与计算，即可取出特定的位。

例：0000 0011取出倒数第三位的值

// 想取出倒数第三位的值，就将倒数第三位的值置为1，其它位为0，跟原数据按位与运算
  0000 0011
& 0000 0100
------------
  0000 0000  // 得出按位与运算后的结果，即可拿到原数据中倒数第三位的值为0

上面的例子中，我们从0000 0011中取值，则0000 0011被称之为源码。进行按位与操作设定的0000 0100称之为掩码

2、设值

可以通过按位或 |运算符将某一位的值设为1或0。具体操作是：
想将某一位的值置为1的话，那么就将掩码中对应位的值设为1，掩码其它位为0，将源码与掩码进行按位或操作即可。

例：将0000 0011倒数第三位的值改为1

// 改变倒数第三位的值，就将掩码倒数第三位的值置为1，其它位为0，跟源码按位或运算
  0000 0011
| 0000 0100
------------
  0000 0111  // 即可将源码中倒数第三位的值改为1

想将某一位的值置为0的话，那么就将掩码中对应位的值设为0，掩码其它位为1，将源码与掩码进行按位或操作即可。

例：将0000 0011倒数第二位的值改为0

// 改变倒数第二位的值，就将掩码倒数第二位的值置为0，其它位为1，跟源码按位或运算
  0000 0011
| 1111 1101
------------
  0000 0001  // 即可将源码中倒数第二位的值改为0

到这里相信大家对位运算符有了一定的了解，下面我们通过OC代码的一个例子，来将位运算符运用到实际代码开发中。

我们声明一个Man类，类中有三个BOOL类型的属性，分别为tall、rich、handsome，通过这三个属性来判断这个人是否高富帅。

Man类.png

然后我们查看一下一个 Man类对象所占据的内存大小：

Man类对象占据内存.png

我们看到，一个 Man类的对象占16个字节。其中包括一个 isa指针和三个 BOOL类型的属性，8+1+1+1=11，根据 内存对齐原则所以一个 Man类的对象占16个字节。

我们知道，BOOL值只有两种情况:0 或 1，占据一个字节的内存空间。而一个字节的内存空间中又有8个二进制位，并且二进制同样只有 0 或 1 ，那么我们完全可以使用1个二进制位来表示一个BOOL值。也就是说我们上面声明的三个BOOL值最终只使用3个二进制位就可以，这样就节省了内存空间。那我们如何实现呢？

想要实现三个BOOL值存放在一个字节中，我们可以通过char类型的成员变量来实现。char类型占一个字节内存空间，也就是8个二进制位。可以使用其中最后三个二进制位来存储3个BOOL值。

当然我们不能把char类型写成属性，因为一旦写成属性，系统会自动帮我们添加成员变量，自动实现set和get方法。

@interface Man()
{
    char _tallRichHandsome;
}

如果我们赋值_tallRichHansome为1，即0b 0000 0001 ，只使用8个二进制位中的最后3个分别用0或者1来代表tall、rich、handsome的值。那么此时tall、rich、handsome的状态为：

char类型含义.png

结合我们上文将的6中位运算符以及使用场景，我们可以分别声明 tall、 rich、 handsome的掩码，来方便我们进行下一步的位运算取值和赋值：

#define Tall_Mask 0b00000100 //此二进制数对应十进制数为 4
#define Rich_Mask 0b00000010 //此二进制数对应十进制数为 2
#define Handsome_Mask 0b00000001 //此二进制数对应十进制数为 1

通过对位运算符的左移 <<和右移 >>的了解，我们可以将上面的代码优化成：

#define Tall_Mask (1<<2) // 0b00000100
#define Rich_Mask (1<<1) // 0b00000010
#define Handsome_Mask (1<<0) // 0b00000001

自定义的set方法如下：

- (void)setTall:(BOOL)tall
{
    if (tall) { // 如果需要将值置为1，将源码和掩码进行按位或运算
        _tallRichHandsome |= Tall_Mask;
    }else{ // 如果需要将值置为0 // 将源码和按位取反后的掩码进行按位与运算
        _tallRichHandsome &= ~Tall_Mask;
    }
}
- (void)setRich:(BOOL)rich
{
    if (rich) {
        _tallRichHandsome |= Rich_Mask;
    }else{
        _tallRichHandsome &= ~Rich_Mask;
    }
}
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome
{
    if (handsome) {
        _tallRichHandsome |= Handsome_Mask;
    }else{
        _tallRichHandsome &= ~Handsome_Mask;
    }
}

自定义的get方法如下：

- (BOOL)isTall
{
    return !!(_tallRichHandsome & Tall_Mask);
}
- (BOOL)isRich
{
    return !!(_tallRichHandsome & Rich_Mask);
}
- (BOOL)isHandsome
{
    return !!(_tallRichHandsome & Handsome_Mask);
}

此处需要注意的是，代码中!为逻辑运算符非，因为_tallRichHandsome & Tall_Mask代码执行后，返回的肯定是一个整型数，如当tall为YES时，说明二进制数为0b 0000 0100，对应的十进制数为4，那么进行一次逻辑非运算后，!(4)的值为0，对0再进行一次逻辑非运算!(0)，结果就成了1，那么正好跟tall为YES对应。所以此处进行两次逻辑非运算，!!。

当然，还要实现初始化方法：

- (instancetype)init
{
    if (self = [super init]) {
        _tallRichHandsome = 0b00000100;
    }
    return self;
}

通过测试验证，我们完成了取值和赋值：

测试代码.png

使用结构体位域优化代码

我们上文讲到了位域的概念，那么我们就可以使用结构体位域来优化一下我们的代码。这样就不用再额外声明上面代码中的掩码部分。位域声明的格式是位域名 : 位域长度。
在使用位域的过程中需要注意以下几点：

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。
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。

使用位域优化以后：

使用位域优化后的代码.png

测试看一下是否正确，这次我们将 tall设为 YES、 rich设为 NO、 handsome设为 YES：

优化后测试.png

依旧完成赋值和取值。
但是代码这样优化后我们去掉了掩码和初始化的代码，可读性很差，我们继续使用共用体进行优化：

使用共用体优化代码

我们可以使用比较高效的位运算来进行赋值和取值，使用union共用体来对数据进行存储。这样不仅可以增加读取效率，还可以增强代码可读性。

#define Tall_Mask (1<<2) // 0b00000100
#define Rich_Mask (1<<1) // 0b00000010
#define Handsome_Mask (1<<0) // 0b00000001

@interface Man()
{
    union {
        char bits;
       // 结构体仅仅是为了增强代码可读性
        struct {
            char tall : 1;
            char rich : 1;
            char handsome : 1;
        };
    }_tallRichHandsome;
}
@end

@implementation Man

- (void)setTall:(BOOL)tall
{
    if (tall) {
        _tallRichHandsome.bits |= Tall_Mask;
    }else{
        _tallRichHandsome.bits &= ~Tall_Mask;
    }
}
- (void)setRich:(BOOL)rich
{
    if (rich) {
        _tallRichHandsome.bits |= Rich_Mask;
    }else{
        _tallRichHandsome.bits &= ~Rich_Mask;
    }
}
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome
{
    if (handsome) {
        _tallRichHandsome.bits |= Handsome_Mask;
    }else{
        _tallRichHandsome.bits &= ~Handsome_Mask;
    }
}
- (BOOL)isTall
{
    return !!(_tallRichHandsome.bits & Tall_Mask);
}
- (BOOL)isRich
{
    return !!(_tallRichHandsome.bits & Rich_Mask);
}
- (BOOL)isHandsome
{
    return !!(_tallRichHandsome.bits & Handsome_Mask);
}

其中_tallRichHandsome共用体只占用一个字节，因为结构体中tall、rich、handsome都只占一位二进制空间，所以结构体只占一个字节，而char类型的bits也只占一个字节，他们都在共用体中，因此共用一个字节的内存即可。
而且我们在set、get方法中的赋值和取值通过使用掩码进行位运算来增加效率，整体逻辑也就很清晰了。

但是，如果我们在日常开发中这样写代码的话，很可能会被同事打死。虽然代码已经很清晰了，但是整体阅读起来很是很吃力的。我们在这里学习位运算以及共用体这些知识，更多的是为了方便我们阅读OC底层的代码。下面我们就回到本文主题，查看一下isa_t共用体的源码。

isa_t共用体

isa_t源码.png

我们发现在 isa_t共用体内用宏 ISA_BITFIELD定义了位域，我们进入位域内查看源码：

ISA_BITFIELD内部源码.png

我们看到，在内部分别定义了 arm64位架构和 x86_64架构的掩码和位域。我们只分析 arm64位架构下的部分内容(红色标注部分)。
可以清楚看到 ISA_BITFIELD位域的内容以及掩码 ISA_MASK的值： 0x0000000ffffffff8ULL。
我们重点看一下 uintptr_t shiftcls : 33;，在 shiftcls中存储着类对象和元类对象的内存地址信息，我们上文讲到，对象的 isa指针需要同 ISA_MASK经过一次按位与运算才能得出真正的类对象地址。那么我们将 ISA_MASK的值 0x0000000ffffffff8ULL转化为二进制数分析一下：

ISA_MASK转化为二进制.png

从图中可以看到 ISA_MASK的值转化为二进制中有33位都为 1，上文讲到按位与运算是可以取出这33位中的值。那么就说明同 ISA_MASK进行按位与运算就可以取出类对象和元类对象的内存地址信息。

我们继续分析一下结构体位域中其他的内容代表的含义：

struct {
    // 0代表普通的指针，存储着类对象、元类对象的内存地址。
    // 1代表优化后的使用位域存储更多的信息。
    uintptr_t nonpointer        : 1; 

   // 是否有设置过关联对象，如果没有，释放时会更快
    uintptr_t has_assoc         : 1;

    // 是否有C++析构函数，如果没有，释放时会更快
    uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;

    // 存储着类对象、元类对象对象的内存地址信息
    uintptr_t shiftcls          : 33; 

    // 用于在调试时分辨对象是否未完成初始化
    uintptr_t magic             : 6;

    // 是否有被弱引用指向过。
    uintptr_t weakly_referenced : 1;

    // 对象是否正在释放
    uintptr_t deallocating      : 1;

    // 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
    uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;

    // 里面存储的值是引用计数器减1
    uintptr_t extra_rc          : 19;
};

至此我们已经对isa指针有了新的认识，__arm64__架构之后，isa指针不单单只存储了类对象和元类对象的内存地址，而是使用共用体的方式存储了更多信息，其中shiftcls存储了类对象和元类对象的内存地址，需要同ISA_MASK进行按位与 &运算才可以取出其内存地址值。

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