前言
在研究 isa 之前，我们首先思考一个问题，OC对象的本质是什么？ isa在其中又是扮演什么角色？在研究OC对象的本质之前，我们先来了解一个工具Clang。
Clang
引用百度百科的一句话：Clang是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/Objective-C编译器。所以，我们可以通过Clang将OC源码编译成C++代码。
OC对象的本质
首先声明一个 PYTeacher 的类：
#import
@interface PYTeacher : NSObject
@end
@implementation PYTeacher
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
}
return 0;
}
通过一下命令把目标文件编译成C++文件：
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp
查阅C++文件，我们发现 PYTeacher 被编译为：
// 省略...
struct PYTeacher_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
};
// 省略...
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
所以OC对象的本质为 结构体，NSObject_IMPL 为 NSObject 的 结构体，每个OC实例都会包含一个继承自NSObject的 isa 指针。
isa
从刚才的代码中，我们发现 isa 是一个指向 Class 的指针。那 isa 的本质又是什么呢？
struct objc_object {
private:
isa_t isa;
public:
省略...
}
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
};
从上面的源码，我们发现 isa 本质是一个 联合体&位域。
其中 ISA_BITFIELD是一个宏定义，在arm64和x86_64下分别定义如下：
__arm64__
# 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
__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 deallocating : 1; \
uintptr_t has_sidetable_rc : 1; \
uintptr_t extra_rc : 8
可以看到在 isa_t 联合体中不仅仅表明了指向对象的地址信息，而且这个 64 位数据还记录了其 bits 情况以及该实例每一位保存的对象信息。
首先先来看一下这 64 个二进制位每一位的含义：
| 区域名 | 代表信息 |
|---|---|
| nonpointer | 0 表示普通的 isa 指针，1 表示使用优化，存储类信息、对象的引用计数等 |
| has_assoc | 关联对象标志。0：没有，1：有 |
| has_cxx_dtor | 表现该对象是否含义C++或Objc的析构函数。如果没有，析构时更快 |
| shiftcls | 类的指针 |
| magic | 用于在调试时分辨对象是否未完成初始化 |
| weakly_referenced | 表示该对象是否有过 weak 对象，如果没有，则析构时更快 |
| deallocating | 表示该对象是否正在析构 |
| 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，则需要使⽤到下⾯的 has_sidetable_rc。 |
此时，我们可以通过一打印 isa 的 shiftcls 值来验证实例对象的类型，我们先将 PYTeacher 实例化，然后打印实例对象的内存分布：
(lldb) x/4gx teacher
0x10069e3a0: 0x001d800100002359 0x0000000000000000
0x10069e3b0: 0x50626154534e5b2d 0x65695672656b6369
0x001d800100002359 就是 isa 的指针，然后打印 isa 的二进制内容（以x86_64为例）：
(lldb) p/t 0x001d800100002359
(long) $1 = 0b0000000000011101100000000000000100000000000000000010001101011001
所以 shiftcls 的区域就是 0b0000000000011101100000000000000100000000000000000010001101011001，将 shiftcls 以外的值抹0，打印结果：
(lldb) po 0b0000000000000000000000000000000100000000000000000010001101011000
PYTeacher
我们也可以先将 isa 的值 右移3位，左移20位，再右移17位 的方式验证：
(lldb) p/x 0x001d800100002359 >> 3
(long) $3 = 0x0003b0002000046b
(lldb) p/x 0x0003b0002000046b << 20
(long) $4 = 0x0002000046b00000
(lldb) p/x 0x0002000046b00000 >> 17
(long) $5 = 0x0000000100002358
(lldb) po 0x0000000100002358
PYTeacher
所以类的实例对象通过 isa 指向自己所属的类，而类通过 isa 指向元类，元类通过 isa 指向根元类，根元类的 isa 指向自己。这样就形成了一个闭环。如下图：