问题
OC对象的本质到底是什么？里面到底是什么结构呢？
探索
在探索oc对象本质前，先了解一个编译器：clang
clang
-
clang是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/OC的编译器 - 主要是用于
底层编译，将一些文件输出成c++文件，例如main.m输出成main.cpp，其目的是为了更好的观察底层的一些结构 及 实现的逻辑，方便理解底层原理。
操作指令
//1、将 main.m 编译成 main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp
//2、将 ViewController.m 编译成 ViewController.cpp
clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.7.sdk ViewController.m
//以下两种方式是通过指定架构模式的命令行，使用xcode工具 xcrun
//3、模拟器文件编译
xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp
//4、真机文件编译
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp
代码分析
Step1: 在main中自定义一个类LBHPerson，有一个属性name
@interface LBHPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end
@implementation LBHPerson
@end
step2:打开终端，cd到main.m的文件夹，输入clang指令： clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 将main.m编译成 main.cpp
step3:找到main.cpp中LBHPerson定义相关的代码
//LGPerson的底层编译
struct LBHPerson_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
NSString *_name;
};
//NSObject 的底层编译
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
- 可以直接搜索定义的类名，如：
LBHPerson - 为了保证在
.cpp中找到的代码是对的，可以在LBHPerson类中添加属性重新转成cpp代码，然后比较两份cpp代码，找到类定义的正确的c++代码
总结:
OC对象的本质是结构体，每一个结构体都有一个
Class isa
探究属性get、set方法
isa
从C++源码中得知类中存在一个isa，那么isa又是什么？有什么作用呢？
objc4源码分析
通过alloc --> _objc_rootAlloc --> callAlloc --> _objc_rootAllocWithZone --> _class_createInstanceFromZone方法路径，查找到initInstanceIsa
step1:在objc4源码中找到initInstanceIsa函数
inline void
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());
//调用initIsa函数
initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}
step2:进入initIsa函数
inline void
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor)
{
ASSERT(!isTaggedPointer());
if (!nonpointer) {
isa = isa_t((uintptr_t)cls);
} else {
ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
isa_t newisa(0);
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
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
newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
// 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;
#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;
}
}
- 方法不要找错，找到对应方法名和参数的函数
在initIsa()函数里面，如果是!nonpointer, 通过初始化函数isa_t((uintptr_t)cls)并赋值给isa，否则新建isa_t,并对isa_t的位域里面的变量进行赋初始值
step3:进入isa_t，如果无法跳转进入，则直接全局搜索
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
};
这个出现一个新的类型union，联合体。
联合体(union)
构造数据类型的方式有以下两种：
- 结构体（struct）
- 联合体（union，也称为共用体）
结构体
结构体是指把不同的数据组合成一个整体，其变量是共存的，变量不管是否使用，都会分配内存。
-
缺点：所有属性都分配内存，比较浪费内存，假设有4个int成员，一共分配了16字节的内存，但是在使用时，你只使用了4字节，剩余的12字节就是属于内存的浪费 -
优点：存储容量较大，包容性强，且成员之间不会相互影响
联合体
联合体也是由不同的数据类型组成，但其变量是互斥的，所有的成员共占一段内存。而且共用体采用了内存覆盖技术，同一时刻只能保存一个成员的值，如果对新的成员赋值，就会将原来成员的值覆盖掉
-
缺点：包容性弱 -
优点：所有成员共用一段内存，使内存的使用更为精细灵活，同时也节省了内存空间
两者的区别：
内存占用情况
结构体的各个成员会占用不同的内存，互相之间没有影响
共用体的所有成员占用同一段内存，修改一个成员会影响其余所有成员内存分配大小
结构体内存 >= 所有成员占用的内存总和（成员之间可能会有缝隙）
共用体占用的内存等于最大的成员占用的内存
isa_t
isa_t类型使用联合体的原因也是基于内存优化的考虑，这里的内存优化是指在isa指针中通过char + 位域（即二进制中每一位均可表示不同的信息）的原理实现。
从isa_t的定义中可以看出：
提供了两个成员，cls 和 bits，由联合体的定义所知，这两个成员是互斥的，也就意味着，当初始化isa指针时，有两种初始化方式
- 通过
cls初始化，bits无默认值 - 通过
bits初始化，cls有默认值
还提供了一个结构体定义的位域，用于存储类信息及其他信息，结构体的成员ISA_BITFIELD，这是一个宏定义，有两个版本 arm64（对应ios 移动端） 和 x86_64（对应macOS），以下是它们的一些宏定义，如下图所示
| 名称 | 内容 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|---|
nonpointer |
表示自定义的类等 |
1 | 0：纯isa指针 1：不只是类对象地址，isa中包含了类信息、对象的引用计数等（自定义的类nonpointer为1） |
has_assoc |
关联对象标志 |
1 | 0：没有关联对象 1：存在关联对象 |
has_cxx_dtor |
该对象是否有C++/OC的析构器（类似于dealloc） |
1 | 如果有析构函数,则需要做析构逻辑, 如果没有,则可以更快的释放对象 |
shiftcls |
存储类的指针的值（类的地址） |
arm64中占33位 x86_64中占44位 |
|
magic |
判断当前对象是真的对象还是没有初始化的空间 |
6 | |
weakly_refrenced |
指对象是否被指向 或者 曾经指向一个ARC的弱变量 |
1 | 没有弱引用的对象可以更快释放 |
deallocating |
对象是否正在释放内存 |
1 | |
has_sidetable_rc |
当对象引用计数大于10时，则需要借用该变量存储进位 | 1 | |
extra_rc |
表示该对象的引用计数值 |
arm64中占19位 x86_64中占8位 |
实际上是引用计数值减 1， 例如，如果对象的引用计数为 10，那么 extra_rc 为 9。如果引用计数大于 10， 则需要使用到 has_sidetable_rc |
针对两种不同平台，其isa的存储情况如图所示
isa指针 位域分析（0-64）
step1:找到initIsa函数源码(上面已经讲过步骤)，打上断点，并将程序执行到isa_t初始化之后
step2:执行lldb命令，p newisa，得到newisa的信息
step3:继续执行，走到newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;下一行
step4:重新执行lldb命令p newisa
对比step2和step4中llvm命令输出结果，发现isa指针中有一些变化，如下图所示
magic为什么是59？
magic是59是由于将isa指针地址转换为二进制，从47（在x86_64上，因为前面有4个位域，共占用47位，地址是从0开始）位开始读取6位，再转换为十进制，如下图所示
将宏ISA_MAGIC_VALUE对应的16进制数据复制到计算器，转换成二进制数据为：110111
10进制的59转换成二进制为：110111
step5:执行到最后一步，重新执行lldb命令
根据打印结果，cls和shiftcls有了新值， isa指针与cls类成功关联
问题：为什么要强制转换成uintptr_t类型？
因为内存的存储不能存储字符串，机器码只能识别 0 、1这两种数字，所以需要将其转换为uintptr_t数据类型，这样shiftcls中存储的类信息才能被机器码理解， 其中uintptr_t是long
问题：为什么需要右移三位，直接赋值不行吗？
因为bits的成员shiftcls不是在起始位置而是在中间位置，低位有三位存储其他信息，所以需要右移3位后开始存储，存到44位满了就停止存储。这样才能准确的存储到类的信息。
isa 与 类 的关联
cls 与 isa 关联原理：isa指针中的shiftcls位域中存储了类信息，其中initInstanceIsa的过程是将 isa 指针 和当前的 类cls 关联起来，有以下几种验证方式：
way1: 通过initIsa方法中的newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;验证
way2: 通过isa指针地址与ISA_MSAK 的值 & 来验证
way3: 通过runtime的方法object_getClass验证
way4: 通过位运算验证
way1: 通过initIsa方法验证
step1: 在initIsa函数中运行至newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
当前的cls为LBHPerson，强制转换成uintptr_t类型后得到 (uintptr_t)cls = 4295000296，然后右移三位得到的数据赋值给shiftcls
step2: 继续执行，在控制台执行lldb 命令p newisa
会发现cls变成了LBHPerson，shiftcls变成一串数字
way2: 通过isa指针地址与ISA_MSAK 的值 & 来验证
step1:在_class_createInstanceFromZone函数的如下位置打上断点
step2:在控制台执行x/4gx obj，得到isa指针的地址0x001d8001000080e9，然后& 上 0x00007ffffffffff8
| 架构 | ISA_MASK的值 |
|---|---|
| arm64 | 0x0000000ffffffff8ULL |
| x86_64 | 0x00007ffffffffff8ULL |
way3: 通过runtime的方法object_getClass验证
step1: main中导入#import
step2: 通过runtime的api，即object_getClass函数
step3:进入object_getClass函数
step4: 进入getIsa()函数
step5: 进入ISA()函数
step6: 在ISA()函数中打上断点，等程序执行到此处，在控制台调用lldb命令
way4: 通过位运算
step1: 在_class_createInstanceFromZone函数的如下位置打上断点
step2:找到isa指针地址
step3: 我们要先了解isa指针的位域，其中shiftcls存储的是类信息，位置为(3,44)
- 将
isa地址右移3位，p 0x001d8001000080e9 >> 3，得到1037939513495581 - 将
1037939513495581左移20位，p 1037939513495581 << 20，得到562954278797312 - 将
562954278797312右移17位，p 562954278797312 >> 17，得到4295000296 -
po 4295000296得到LBHPerson