一、对象的本质
1、clang的介绍
Clang是⼀个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/Objective-C编译器。
clang具有如下优点：
- 编译速度更快：在某些平台上，clang的编译速度要明显快于gcc。
- 占用内存更小：clang生成的AST所占用的内存通常是gcc的五分之一左右。
- 模块化的设计：clang采用基于库的模块化设计，更易于IDE的集成及其他用途的重用。
- 诊断信息可读性强：在编译过程中，clang会创建并保留大量详细的元数据 (metadata)，这将更有利于调试和错误报告。
- 设计更清晰简单，容易理解，易于扩展加强。与代码基础较为古老的gcc相比，学习曲线会显得更为平缓。
我们可以通过clang的还原，看到OC代码在底层的实现！
2、clang的简单使用
我们新建一个工程，选择macOS下的Command Line Tool，同时创建一个HPerson对象:
然后在终端进行编译：
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp
编译成功，得到一个main.cpp：
但是如果我们创建一个app工程，引用了系统的动态库，再编译的话，就会报错：
那么可以使用带链接的编译方法：
// 命令
clang -x objective-c -rewrite-objc -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator.sdk 编译文件名称.后缀
// 示例
clang -x objective-c -rewrite-objc -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator.sdk main.m
编译成功，得到一个main.cpp：
更多的指令可以通过-help去探索：
clang -help
3、查看c++源码
-
对象
打开第一次生成的main.cpp，搜索HPerson:
#ifndef _REWRITER_typedef_HPerson
#define _REWRITER_typedef_HPerson
typedef struct objc_object HPerson;
typedef struct {} _objc_exc_HPerson;
#endif
extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_HPerson$_HName;
struct HPerson_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
NSString *_HName;
};
发现对象在底层的本质就是结构体！
那么NSObject_IVARS是什么呢？
跟进去看一看：
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
发现NSObject_IVARS就是isa！
同时：
typedef struct objc_object HPerson;
也印证了之前《OC对象原理探究之alloc探索》探索底层的时候得到的结论：
NSObject在底层就是objc_object。
也可以看看Class的底层：
typedef struct objc_class *Class;
意味着Class是一个结构体指针！
id也和Class类似：
typedef struct objc_object *id;
所以id可以不带*使用：
id person;
-
属性
我们继续搜索HName：
//getter方法
static NSString * _I_HPerson_HName(HPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_HPerson$_HName)); }
//setter方法
static void _I_HPerson_setHName_(HPerson * self, SEL _cmd, NSString *HName) { (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_HPerson$_HName)) = HName; }
就会找到属性的getter和setter方法，发现方法有2个隐藏参数：
HPerson * self //对象自身的指针
SEL _cmd //方法的指针
再来看看getter的return：
return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_HPerson$_HName));
这里就是对象的首地址加上成员变量的指针地址，得到成员变量的内存地址！
setter的return也是一样，拿到成员变量的内存地址然后赋值！
二、位域和联合体
1、位域
先来看看这个结构体：
struct HCar1 {
BOOL front;
BOOL back;
BOOL left;
BOOL right;
};
BOOL类型占用的内存为1字节，根据内存对齐原则可得出HCar1的内存大小为4字节。
1字节为8位，4字节则为32位。
一辆车的前后左右，每个方向使用0和1表示即可，那么我们使用4位即可满足要求，最多也就是1字节！如下图所示：
如果使用4字节，则浪费了3字节的空间！
那么怎么优化呢？
我们可以使用位域：
struct HCar2 {
BOOL front: 1;
BOOL back : 1;
BOOL left : 1;
BOOL right: 1;
};
冒号后面的数字代表该成员变量占用了多少位！
所以HCar2大小为1字节！如下图所示：
这样就大大的优化了内存！
2、联合体
在一个结构体里面：
struct HTeacher1 {
char * name;
int age;
double height;
};
所有的成员变量都有自己的内存空间，都有自己的值！如下图所示：
但是如果是一个联合体呢？
就会发现只有1个成员变量的值是正确的，为什么呢？
打印成员变量的内存地址：
(lldb) p &teacher2.name
(char **) $10 = 0x000000030412b3e8
(lldb) p &teacher2.age
(int *) $11 = 0x000000030412b3e8
(lldb) p &teacher2.height
(double *) $12 = 0x000000030412b3e8
就会发现内存地址都是一样的！
所以联合体的所有成员变量都是使用同一个内存地址，每次只有一个值是正确的！
3、总结
结构体(struct)中所有变量是“共存”的!
优点是“有容乃⼤”，全⾯；
缺点是struct内存空间的分配是粗放的，不管⽤不⽤，全分配。
联合体(union)中是各变量是“互斥”的!
缺点就是不够“包容”；
但优点是内存使⽤更为精细灵活，也节省了内存空间
三、nonPointerIsa的分析
1、什么是nonPointerIsa
在《OC对象原理探究之alloc探索》文章中，我们探索了alloc。
在alloc中对象分配内存后，进行类的绑定，即创建isa：
obj->initIsa(cls);
继续跟进：
inline void
objc_object::initIsa(Class cls)
{
initIsa(cls, false, false);
}
还只是中转方法，继续跟进到initIsa方法：
inline void
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, UNUSED_WITHOUT_INDEXED_ISA_AND_DTOR_BIT bool hasCxxDtor)
{
ASSERT(!isTaggedPointer());
isa_t newisa(0);
if (!nonpointer) {
newisa.setClass(cls, this);
} else {
ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
#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
# if ISA_HAS_CXX_DTOR_BIT
newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
# endif
newisa.setClass(cls, this);
#endif
newisa.extra_rc = 1;
}
// 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;
}
这里就isa的创建方法！
根据最后isa的赋值newisa，看看isa_t：
union isa_t {
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
uintptr_t bits;
private:
// Accessing the class requires custom ptrauth operations, so
// force clients to go through setClass/getClass by making this
// private.
Class cls;
public:
#if defined(ISA_BITFIELD)
struct {
ISA_BITFIELD; // defined in isa.h
};
bool isDeallocating() {
return extra_rc == 0 && has_sidetable_rc == 0;
}
void setDeallocating() {
extra_rc = 0;
has_sidetable_rc = 0;
}
#endif
void setClass(Class cls, objc_object *obj);
Class getClass(bool authenticated);
Class getDecodedClass(bool authenticated);
};
发现isa_t为union，即联合体！
按照我们之前的思路，一个类为指针，8字节，64位，如果只用来存指针是不是太浪费了！
在OC里面，可以发现类里面除了指针其实还存有其他的很多东西，比如是否正在释放、引用计数、weak、关联对象、析构函数等等，这种就叫做nonPointerIsa，不再是一个简简单单的指针地址isa。
2、isa内存分布
那么isa里面到底存了什么呢？
我们看看ISA_BITFIELD：
# if __arm64__
// ARM64 simulators have a larger address space, so use the ARM64e
// scheme even when simulators build for ARM64-not-e.
# if __has_feature(ptrauth_calls) || TARGET_OS_SIMULATOR
# define ISA_BITFIELD \
uintptr_t nonpointer : 1; \
uintptr_t has_assoc : 1; \
uintptr_t weakly_referenced : 1; \
uintptr_t shiftcls_and_sig : 52; \
uintptr_t has_sidetable_rc : 1; \
uintptr_t extra_rc : 8
# else
# 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 unused : 1; \
uintptr_t has_sidetable_rc : 1; \
uintptr_t extra_rc : 19
# endif
# elif __x86_64__
# define ISA_BITFIELD \
uintptr_t nonpointer : 1; \
uintptr_t has_assoc : 1; \
uintptr_t has_cxx_dtor : 1; \
uintptr_t shiftcls : 44; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x7fffffe00000*/ \
uintptr_t magic : 6; \
uintptr_t weakly_referenced : 1; \
uintptr_t unused : 1; \
uintptr_t has_sidetable_rc : 1; \
uintptr_t extra_rc : 8
# else
# error unknown architecture for packed isa
# endif
发现ISA_BITFIELD是位域！
以arm64为例：
nonpointer：表示是否对 isa 指针开启指针优化，0：纯isa指针，1：不⽌是类对象地址，isa 中包含了类信息、对象的引⽤计数等。
has_assoc：关联对象标志位，0没有，1存在。
has_cxx_dtor：该对象是否有 C++ 或者 Objc 的析构器，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: 存储类指针的值。开启指针优化的情况下，在 arm64 架构中有 33 位⽤来存储类指针。
magic：⽤于调试器判断当前对象是真的对象还是没有初始化的空间。
weakly_referenced：志对象是否被指向或者曾经指向⼀个 ARC 的弱变量，没有弱引⽤的对象可以更快释放。
deallocating：标志对象是否正在释放内存。
has_sidetable_rc：当对象引⽤技术⼤于 10 时，则需要借⽤该变量存储进位。
extra_rc：当表示该对象的引⽤计数值，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 has_sidetable_rc。
四、isa推导class
1、通过掩码得到class
打印一个对象的内存，将isa转为2进制：
(lldb) x/4gx p
0x10895e9f0: 0x011d800100008275 0x0000000000000000
0x10895ea00: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
(lldb) p/t 0x011d800100008275
(long) $2 = 0b0000000100011101100000000000000100000000000000001000001001110101
发现64位并没有存满，还存在很多空位！
我们打印类的时候发现和isa并不一样：
p/x p.class
(Class) $3 = 0x0000000100008270 LGPerson
那么isa怎么转成类的呢？
在《OC对象原理探究之内存对齐》文章中有说明，需要isa & ISA_MASK即可！
p/x 0x011d800100008275 & 0x00007ffffffffff8ULL
(unsigned long long) $4 = 0x0000000100008270
为什么呢？
是因为isa中不止是类的信息，还有很多其他信息，需要通过掩码来获取类的信息！
如下图所示：
把掩码盖在isa上面的时候就类信息会暴露出来了！
2、通过位运算得到class
在initIsa方法里面可以发现：
如果不是nonpointer，则直接setClass；否则进行位域赋值！
那么我们可以根据位域来获取class！
按照x86_64为例：
# define ISA_BITFIELD \
uintptr_t nonpointer : 1; \
uintptr_t has_assoc : 1; \
uintptr_t has_cxx_dtor : 1; \
uintptr_t shiftcls : 44; /*MACH_VM_MAX_ADDRESS 0x7fffffe00000*/ \
uintptr_t magic : 6; \
uintptr_t weakly_referenced : 1; \
uintptr_t unused : 1; \
uintptr_t has_sidetable_rc : 1; \
uintptr_t extra_rc : 8
shiftcls是存储class信息的成员变量，前面有3位，后面有17位，即：
那么我们可以先右移3位，将前3位归零，再左移20位，将后17位归零，最后再右移17位，回归原本位置，即可得到class信息：
(lldb) x/4gx p
0x108a09980: 0x011d800100008275 0x0000000000000000
0x108a09990: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
(lldb) p/x 0x011d800100008275 >> 3
(long) $1 = 0x0023b0002000104e
(lldb) p/x 0x0023b0002000104e << 20
(long) $2 = 0x0002000104e00000
(lldb) p/x 0x0002000104e00000 >> 17
(long) $3 = 0x0000000100008270
(lldb) p/x p.class
(Class) $4 = 0x0000000100008270 LGPerson