id类型源码解析
iOS中任何变量都有明确定义属于哪种类型，对象指针也是如此，属于id类型。id其实是结构体struct objc_object类型的指针.
struct objc_object {
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};
/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;
复制代码而结构体struct objc_object仅仅有一个Class类型的成员变量isa。Class又是struct objc_class结构体类型。 所以，id就是指向struct objc_object {objc_class *isa}。
typedef struct objc_class *Class;
struct objc_class {
Class _Nonnull isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
#if !__OBJC2__
Class _Nullable super_class OBJC2_UNAVAILABLE;
const char * _Nonnull name OBJC2_UNAVAILABLE;
long version OBJC2_UNAVAILABLE;
long info OBJC2_UNAVAILABLE;
long instance_size OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_ivar_list * _Nullable ivars OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_method_list * _Nullable * _Nullable methodLists OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_cache * _Nonnull cache OBJC2_UNAVAILABLE;
struct objc_protocol_list * _Nullable protocols OBJC2_UNAVAILABLE;
#endif
} OBJC2_UNAVAILABLE;
复制代码到此为止，我们无法再深入理解下面的具体结构，因为Xcode中仅仅开放了objc的9个头文件，并且代码太过老旧。我们需要从苹果的opensource下载一份比较新的来看，不幸的是苹果提供的源码因为缺少依赖和一些头文件，无法编译成功，这里有一份Github上可以编译和调试的源码OjbcDeubg。本文后续的objc源码全部基于objc750.1版本。
我们可以看到struct objc_object中isa已经变为isa_t类型，并且是私有成员不能从外部直接访问。
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
public:
// ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
Class ISA();
// getIsa() allows this to be a tagged pointer object
Class getIsa();
......
}
复制代码isa_t的结构类型是一个联合体，联合体是把几种不同类型的变量存放到同一段内存单元中。也就是使用覆盖技术，几个变量互相覆盖。这种几个不同的变量共同占用一段内存的结构。所以isa_t的成员变量可能是Class cls;，也可能是uintptr_t bits;，也可能是struct { ISA_BITFIELD; // defined in isa.h };。
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
};
# define ISA_BITFIELD \
uintptr_t nonpointer : 1; \
uintptr_t has_assoc : 1; \ uintptr_t has_cxx_dtor : 1; \
uintptr_t shiftcls : 33; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x1000000000*/ \
uintptr_t magic : 6; \
uintptr_t weakly_referenced : 1; \
uintptr_t deallocating : 1; \
uintptr_t has_sidetable_rc : 1; \
uintptr_t extra_rc : 19
复制代码所以，从现在来看，struct objc_objectd中的isa并不一定指向的是Class，可能是一个无符号整数，也可能是一个结构体位域，关于结构体位域的相关知识可以参考这篇文章。 我们之前有听说过对象的指针指向类类型么？现在证明这个结论是错误的。对象指针可能是指向类类型，也可能仅仅是一个无符号整数，或是一个结构体位域。
如何不浪费64bit，用好isa的内存空间？
在2013年9月，苹果推出了iPhone5s配备了 64 位架构的处理器。64位CPU下，指针所占用的位数为8个字节64位。一个内存地址实际上用不了64位去存储，一般32位即可存储一个20亿的数（2^31=2147483648，另外1位作为符号位）。所以，苹果把isa根据需要进行了区分，苹果提出了TaggedPointer和NonpointerIsa。对于小对象采用TaggedPointet方式来存放其值。对于占用内存比较大的对象采用NonpointerIsa来把isa按位使用，一部分用来存放实际的对象地址，一部分存放附加的其他信息。
TaggedPoint
对于NSDate、NSNumber这样的小对象存储的值，绝大多数情况并不会大于20亿这个量级。如果采用指针、堆内存的方式，那势必会造成内存的浪费和性能损耗。苹果采用将value值直接存储在isa_t中的uintptr_t bits;上，并且用一些特殊标识来标明此isa是TaggedPoint类型的。这样用isa就存储了值，而不需要在堆上分配内存再去存储值。要知道堆内存的分配、释放及访问，要比栈内存慢很多的。
NonpointerIsa
isa其实并不单单是一个指针，实际上只有33位用于存储对象地址。其余位用来存储一些特殊的值。
uintptr_t nonpointer : 1; //标识是否为nonpointer
uintptr_t has_assoc : 1; //是否有关联对象
uintptr_t has_cxx_dtor : 1; //是否有C++的一些操作
uintptr_t shiftcls : 33; //对象地址
uintptr_t magic : 6; //魔数
uintptr_t weakly_referenced : 1; //是否有弱引用
uintptr_t deallocating : 1; //是否正在释放
uintptr_t has_sidetable_rc : 1; //是否在sidetable中有存储引用计数
uintptr_t extra_rc : 19 //在当前isa中存储的引用计数值
复制代码强调一点，很多教程讲MRC中引用计数是通过sidetable来存储，但其实isa_t中已经拿出了19位来存储对象的引用计数，这个引用计数的值已足够大，大多数情况19位已经够存储其引用计数值，所以并不需要使用sidetable来存储额外超过的引用计数值。
源码解读TaggedPoint
inline Class objc_object::getIsa()
{
if (!isTaggedPointer()) return ISA();
uintptr_t ptr = (uintptr_t)this;
if (isExtTaggedPointer()) {
uintptr_t slot =
(ptr >> _OBJC_TAG_EXT_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_EXT_SLOT_MASK;
return objc_tag_ext_classes[slot];
} else {
uintptr_t slot =
(ptr >> _OBJC_TAG_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_SLOT_MASK;
return objc_tag_classes[slot];
}
}
复制代码现在的iOS已经无法直接访问obj_object的isa，在获取isa的时候需要调用getIsa()方法。此方法中首先判断是否为taggedPonter，如果不是则调用ISA()方法，是的话则判断是否为ExtTaggedPointer，然后再按位与操作得到class类型。所有支持TaggedPointer的class被保存在全局数据变量OBJC_EXPORT Class _Nullable objc_debug_taggedpointer_ext_classes[]中。
在判断是否为ExtTaggedPointer时，调用了_objc_decodeTaggedPointer方法，在要获取slot时要先让ptr与objc_debug_taggedpointer_obfuscator进行按位异或操作，然后拿异或后的值与_OBJC_TAG_EXT_MASK进行与操作来判断是否是ExtTaggedPointer。
_objc_decodeTaggedPointer(const void * _Nullable ptr)
{
return (uintptr_t)ptr ^ objc_debug_taggedpointer_obfuscator;
}
复制代码网上有很多教程是这样的
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
// insert code here...
int a = 0;
NSObject *obj = [[NSObject alloc] init];
NSNumber *num0 = @0;
NSNumber *num1 = @1;
NSNumber *num2 = @2;
NSNumber *num3 = @8;
NSNumber *num4 = @0xFFFFFFFFFFFF;
NSLog(@"%p, %p, %p, %p, %p", num0, num1, num2, num3, num4);
}
return 0;
}
复制代码因为num0、num1、num2、num3的值没有超过32位的存储空间，所以通过打印其地址可以看到0，1，2，3的值是直接保存到地址里的。但遗憾的是，大家试一下发现都是错误的。
0x59aa0169f2f5214b, 0x59aa0169f2f5204b, 0x59aa0169f2f5234b, 0x59aa0169f2f5294b, 0x5955fe960d0ade5b
复制代码从这段输出中，并不能发现什么规律。
就是因为上文提到了objc_debug_taggedpointer_obfuscator，苹果对TaggedPointer的值进行了按位异或混淆。在ios应用启动装载的过程中装载objc时会调用到initializeTaggedPointerObfuscator中，这里生成了一个随机数objc_debug_taggedpointer_obfuscator，所有的TaggedPointer都用此随机数进行了混淆，所以我们看不出规律来。
static void
initializeTaggedPointerObfuscator(void)
{
if (sdkIsOlderThan(10_14, 12_0, 12_0, 5_0, 3_0) ||
// Set the obfuscator to zero for apps linked against older SDKs,
// in case they're relying on the tagged pointer representation.
DisableTaggedPointerObfuscation) {
objc_debug_taggedpointer_obfuscator = 0;
} else {
// Pull random data into the variable, then shift away all non-payload bits.
arc4random_buf(&objc_debug_taggedpointer_obfuscator,
sizeof(objc_debug_taggedpointer_obfuscator));
objc_debug_taggedpointer_obfuscator &= ~_OBJC_TAG_MASK;
}
}
复制代码幸运的是，我们拿到了源代码。所以可以把此随机数改为0。
static void
initializeTaggedPointerObfuscator(void)
{
if (sdkIsOlderThan(10_14, 12_0, 12_0, 5_0, 3_0) ||
// Set the obfuscator to zero for apps linked against older SDKs,
// in case they're relying on the tagged pointer representation.
DisableTaggedPointerObfuscation) {
objc_debug_taggedpointer_obfuscator = 0;
} else {
// Pull random data into the variable, then shift away all non-payload bits.
arc4random_buf(&objc_debug_taggedpointer_obfuscator,
sizeof(objc_debug_taggedpointer_obfuscator));
objc_debug_taggedpointer_obfuscator &= ~_OBJC_TAG_MASK;
}
#warning write by test
objc_debug_taggedpointer_obfuscator = 0;
objc_debug_taggedpointer_obfuscator &= ~_OBJC_TAG_MASK;
}
复制代码然后我们在run一次代码，执行结果如下
0x27, 0x127, 0x227, 0x827, 0xffffffffffff37
复制代码第一位的0x27等于0x027，这样我们才真切的感受到TaggedPointer真的是将value值直接保存到了isa中。
源码解读NonpointerIsa
MRC时代，我们是可以直接获取引用计数的。ARC下无法直接获取，但NSObject中还是对我们暴露了retainCount函数，我们去追踪retainCount做了哪些事情。
inline uintptr_t
objc_object::rootRetainCount()
{
if (isTaggedPointer()) return (uintptr_t)this;
sidetable_lock();
isa_t bits = LoadExclusive(&isa.bits);
ClearExclusive(&isa.bits);
if (bits.nonpointer) {
uintptr_t rc = 1 + bits.extra_rc;
if (bits.has_sidetable_rc) {
rc += sidetable_getExtraRC_nolock();
}
sidetable_unlock();
return rc;
}
sidetable_unlock();
return sidetable_retainCount();
}
复制代码retainCount首先判断是否为taggeePointer，如果是则直接返回isa，不是的话判断是否为nonpointer，是的话，要先从bits中即我们上文提到的结构体位域中取出extra_rc中存储的引用计数，然后根据bits中的has_sidetable_rc来断定是否有sidetable中存储该对象的引用计数。如果有则加上sidetable中存储的引用计数，无则直接返回bits.extra_rc。
至此，我们也分析出nonPointerISA中，isa并不是一个纯粹的指向class，而是还携带了一些附加信息。
总结
iOS的内存管理中，并不是仅仅用到散列表SideTables来存储引用计数，而是针对不同的对象及CPU位数做了特殊的事情。在64位CPU下，有TaggedPointer来存储小对象，有NonPonterISA这种非指针型isa来管理引用计数等，还有散列表来存储超过范围的引用计数和弱引用关系。