OC底层探究(3)-- isa分析

一、什么是isa

我们首先先贴一下NSObjec的源码：

@interface NSObject  {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

通过上面这段源码可以看出，每个对象中都最少含有一个成员变量--isa。

我们在查看一下类和对象的底层定义：

typedef struct objc_class *Class;
typedef struct objc_object *id;

struct objc_class : objc_object {
    // 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
    ...
}

对象在底层的实现中，是一个ocjc_object结构体。而类同样也是一个结构体，objc_class结构体继承了objc_object，所以类中也会含有一个isa，它会指向元类（metaclass）。

我们在查看objc_object结构体：

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
...
}
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

发现isa其实是一个联合体(union)并通过位域来进行值的存储。通过struct中定义的各个属性值的占位来与bits进行位运算来进行数据的存取。这样可以有更好效率。

下面介绍一下各个属性值含义：
1、nonpointer：表示是否对 isa 指针开启指针优化 。0代表纯isa指针，1代表不止是类对象地址,isa 中包含了类信息、对象的引用计数等。
2、has_assoc：关联对象标志位。0没有1有
3、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
4、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。
5、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。
6、weakly_referenced：标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。
7、deallocating：标志对象是否正在释放内存。
8、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。
9、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 则需要使用到下面的 has_sidetable_rc

二、isa的创建

在objc_object结构体中，提供了isa的创建方法：

objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    assert(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
        isa.cls = 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;
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();
#else
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
#endif
        isa = newisa;
    }
}

我们可以看到，在创建的isa的过程中，会将class赋值给shiftcls。这样就通过isa建立起来了对象和类的绑定关系，obj <->isa<->class。
关于绑定关系的验证，我们可以通过如下代码来进行验证：

//创建一个对象，并设置断点来进行控制打印
Person *person = [Person alloc];

//控制台打印如下：
//打印出对象，并得到isa地址0x001d800100001131
(lldb) x/4gx person
0x101f04da0: 0x001d800100001131 0x0000000000000000
0x101f04db0: 0x62726143534e5b2d 0x776f646e69576e6f
//打印Person类
(lldb) p/x Person.class
(Class) $2 = 0x0000000100001130 Person
//将isa的bits与ISA_MASK掩码进行与运算，并打印，可得到shiftcls的值，即类信息
(lldb) p/x 0x001d800100001131 & 0x0000000ffffffff8ULL
(unsigned long long) $3 = 0x0000000100001130
//$2与$3的值相同，即对象的isa中存储了对象的类型信息，使他们建立起了连接

三、isa指向分析

isa流程图.png

每个实例对象有个isa的指针,它指向对象的类，而Class里也有个isa的指针, 指向元类(meteClass)。对象的isa指向了类，类的isa指向了元类，元类的isa指向了根元类（rootclass meta），根元类又指向了它自身，这样就形成了一个isa指向的闭环。