RunTime之NSObject解析

写在前边

上篇文章中，介绍了Objc对象的分类：实例对象、类对象、元类对象；也介绍了对象分类中通过isa或superclass进行方法查找的流程。今天通过对苹果官方源码objc4-750对其详细说明。

源码

我们知道，Objective-C中，通常情况下，我们新建类都会继承于NSObject。那么，我们就从NSObject开始吧。

NSObject.png

我们看到在NSObject中，包含一个Class isa成员变量；

Class

接上图，然后我们点击能进入查看Class的定义。发现她是一结构体objc_class指针。

Class.png

同时，我们也看到了我们常用的id其实是一个叫objc_object的结构体指针。继续，查看objc_class的实现

objc_class.png

我们看到，objc_class继承于objc_object，而且还包含了其他一些信息，稍后再详细介绍这些字段具体作用。

而从前边的截图中，我们也看到了objc_object就是id类型！也就是说 Class继承于id。

那么objc_object中包含什么信息呢?

id

继续，查看objc_object信息。

objc_object.png

我们在objc_object中看到了一个isa_t类别的成员变量，终于找到了传说中的isa（异常兴奋！）

isa_t

那么，isa_t具体是什么类型呢，继续我们发现，她原来是一个union 共用体，不仅可以用来存储类的指针信息，还可以用来表示位域（或者位段，可以用来存储更多的信息）。

isa_t-1.png

位域详情定义如下：

isa_t-2.png

这里介绍下各个位的作用

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++的析构函数（.cxx_destruct），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
extra_rc：里面存储的值是引用计数器
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

分析

isa_t的位域

首先，使用使用位域可以节约资源。例如，我们比较两个类实例占用的空间。

@interface Person1 : NSObject
@property (nonatomic, assign) BOOL tall;
@property (nonatomic, assign) BOOL handsome;
@property (nonatomic, assign) NSInteger age;
@end

@interface Person2 : NSObject{
    union{
        NSInteger bits;
        struct {
            char tall : 1;
            char handsome: 1;
            NSInteger age: 7;
        } ;
    }tallHandsomeAge;
}
-(void)setTall:(BOOL)tall;
-(BOOL)tall;
-(void)setHandsome:(BOOL)handsome;
-(BOOL)handsome;
-(void)setAge:(NSInteger)age;
-(NSInteger)age;
-(NSInteger)bits;
@end

实现代码，如下：

@implementation Person1

@end

#define Tall_Mask (1<<0)
#define handsome_Mask (1<<1)
#define age_offset 2
#define age_Mask (1<<8)

@implementation Person2

-(void)setTall:(BOOL)tall{
    if (tall) {
        tallHandsomeAge.bits |= Tall_Mask;
    }else{
        tallHandsomeAge.bits &= ~Tall_Mask;
    }
}
-(BOOL)tall{
    return !!(tallHandsomeAge.bits & Tall_Mask);
}
-(void)setHandsome:(BOOL)handsome{
    if (handsome) {
        tallHandsomeAge.bits |= handsome_Mask;
    }else{
        tallHandsomeAge.bits &= ~handsome_Mask;
    }
}
-(BOOL)handsome{
    return !!(tallHandsomeAge.bits & handsome_Mask);
}
-(void)setAge:(NSInteger)age{
    tallHandsomeAge.bits &= (age_Mask | Tall_Mask | handsome_Mask);
    tallHandsomeAge.bits |= (age << age_offset);
}
-(NSInteger)age{
    return tallHandsomeAge.bits & age_Mask;
}
-(NSInteger)bits{
    return tallHandsomeAge.bits;
}
@end

首先，占用空间大小比较优势很明显；其次，位域使用的位运算对处理器来说，效率是很高的

bit_field.png

isa_t的Class(objc_class)

首先，objc_class继承自 objc_object(objc_object包含一个isa_t的成员变量isa)。objc_class结构体中包含的主要信息如下：

    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    class_rw_t *data() { 
        return bits.data();
    }

class_rw_t.png

class_ro_t.png

ISA指针
superclass
cache方法缓存
bits具体的类信息（结构体class_rw_t）
- 方法列表
- 属性列表
- 协议列表
- class_ro_t *ro
  - instance对象占用的内存大小等
  - 成员变量列表

cache方法缓存

Class中有个方法缓存cache_t,用哈希表来缓存曾经调用过的方法，以提高方法的查找速度。

struct cache_t {
    struct bucket_t *_buckets;//散列表
    mask_t _mask;//总长度
    mask_t _occupied;//已缓存的方法数量
 
    //other information
}


struct bucket_t {
private:
    // IMP-first is better for arm64e ptrauth and no worse for arm64.
    // SEL-first is better for armv7* and i386 and x86_64.
#if __arm64__
    MethodCacheIMP _imp;//函数的内存地址
    cache_key_t _key;//SEL
#else
    cache_key_t _key;//SEL
    MethodCacheIMP _imp;//函数的内存地址
#endif
    //other information
}

之前，我们介绍过objc_msgSend消息对应方法查找流程。这里再简单介绍下：

先查找自己类的缓存中是否有对应的方法，如果能找到直接发消息调用
查找自己类中的bits类信息中的方法列表，如果能找到，则发消息，将方法放入方法缓存中。
遍历父类的方法。

bucket_t * cache_t::find(cache_key_t k, id receiver)
{
    assert(k != 0);

    bucket_t *b = buckets();
    mask_t m = mask();
    mask_t begin = cache_hash(k, m);
    mask_t i = begin;
    do {
        if (b[i].key() == 0  ||  b[i].key() == k) {
            return &b[i];
        }
    } while ((i = cache_next(i, m)) != begin);

    // hack
    Class cls = (Class)((uintptr_t)this - offsetof(objc_class, cache));
    cache_t::bad_cache(receiver, (SEL)k, cls);
}

#if __arm__  ||  __x86_64__  ||  __i386__
// objc_msgSend has few registers available.
// Cache scan increments and wraps at special end-marking bucket.
#define CACHE_END_MARKER 1
static inline mask_t cache_next(mask_t i, mask_t mask) {
    return (i+1) & mask;
}

#elif __arm64__
// objc_msgSend has lots of registers available.
// Cache scan decrements. No end marker needed.
#define CACHE_END_MARKER 0
static inline mask_t cache_next(mask_t i, mask_t mask) {
    return i ? i-1 : mask;
}

#else
#error unknown architecture
#endif

bits具体的类信息class_rw_t

这里主要介绍的是方法列表 method_array_t methods 。具体method_t的结构如下：

struct method_t {
    SEL name;//函数名称
    const char *types;//函数编码，在swazzing中用的比较多
    MethodListIMP imp;//函数指针（函数地址）

    struct SortBySELAddress :
        public std::binary_function
    {
        bool operator() (const method_t& lhs,
                         const method_t& rhs)
        { return lhs.name < rhs.name; }
    };
};

参照

https://opensource.apple.com/tarballs/objc4/