iOS-底层 isa指针结构分析

OC 对象的本质
在我们日常的开发中,会创建很多个自定义的对象,大部分是继承自 NSObject,但是具体到源码实现,就看不到了,怎么办呢?编译器 clang 就要登场了

Clang
Clang 是一个有 Apple 主导编写,基于 LLVM 的 C/C++/Objective-C 的编译器
主要用于底层编译,将一些文件输出为 C++ 文件,可以更好的查看底层的结构以及实现逻辑

探索对象本质

  • main中自定义一个类LGPerson,有一个属性name
@interface LGPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end

@implementation LGPerson
@end

  • 通过终端,利用clangmain.m编译成 main.cpp,有以下几种编译命令,这里使用的是第一种
//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 

  • 打开编译好的main.cpp,找到LGPerson的定义,发现LGPerson在底层会被编译成 struct 结构体

    • LGPerson_IMPL中的第一个属性 其实就是 isa,是继承自NSObject,属于伪继承,伪继承的方式是直接将NSObject结构体定义为LGPerson中的第一个属性,意味着LGPerson 拥有 NSObject中的所有成员变量

    • LGPerson中的第一个属性 NSObject_IVARS 等效于 NSObject中的 isa

//NSObject的定义
@interface NSObject  {
    Class isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}

//NSObject 的底层编译
struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

//LGPerson的底层编译
struct LGPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; // 等效于 Class isa;
    NSString *_name;
};

如下图所示

image

通过上述分析,理解了OC对象的本质,但是看到NSObject的定义,会产生一个疑问:为什么isa的类型是Class?

  • 在iOS-底层原理 02:alloc & init & new 源码分析文章中,提及过alloc方法的核心之一的initInstanceIsa方法,通过查看这个方法的源码实现,我们发现,在初始化isa指针时,是通过isa_t类型初始化的,

  • 而在NSObject定义中isa的类型是Class,其根本原因是由于isa 对外反馈的是类信息,为了让开发人员更加清晰明确,需要在isa返回时做了一个类型强制转换,类似于swift中的 as 的强转。源码中isa强转如下图所示

    image

总结

所以从上述探索过程中可以得出:

  • OC对象的本质 其实就是 结构体

  • LGPerson中的isa是继承自NSObject中的isa

cls 与 类的关联

在alloc 源码分析 & init & new中分析了 alloc 中核心三步的前两个,下面来探索initInstanceIsa是如何将clsisa关联的

联合体

构造数据类型的方式有两种:结构体(struct)和 联合体(union)

  • 结构体

所有变量是共存的,不管用不用,都会分配内存。优点是容量大,包容性强;缺点是 struct 内存空间的分配是粗放的,所有属性都会分配内存,容易造成内存浪费

  • 联合体

各变量是“互斥”的,所有的成员共占一段内存。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。优点是内存的使用更为精细灵活,节省内存空间,缺点是包容性弱

isa 的类型

源码中查看 isa_t 的定义,可以看出是通过联合体(union)定义的

union isa_t { //联合体
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    //提供了cls 和 bits ,两者是互斥关系
    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

isa_t 的定义源码可以看出

  • 提供两个成员变量 clsbits,这两个成员是 互斥
  • 提供一个结构体定义的 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 __arm64____x86_64__ 两个版本,分别对应 iOS 端 和 模拟器/Macos
# if __arm64__ //真机
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
#   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
#   define RC_ONE   (1ULL<<45)
#   define RC_HALF  (1ULL<<18)

# elif __x86_64__ //模拟器/Mac os
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
#   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
#   define RC_ONE   (1ULL<<56)
#   define RC_HALF  (1ULL<<7)

  • 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,则需要做析构逻辑处理;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 架构下有 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:标志对象是否被指向或者曾经指向一个 ARC 的弱变量,没有弱引用的对象释放的更快

  • deallocating:标志对象是否正在释放内存

  • has_sidetable_rc:当对象弱引用计数大于 10 时,则需要借用该变量存储进位

  • extra_rc: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)

isa_t 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 + 位域的原理实现。isa 占用 8 字节,即 64 位,已经足够存储很多的信息了,这样可以极大的节省内存,提高性能

原理探索

下面进入 initInstanceIsa 的探索,首先查看它的源码实现

inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

initInstanceIsa 的源码实现中,主要是调用了 initIsa,继续跳到 initIsa 的源码

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;
    }
}

源码主要是初始化 isa,两种方式

  • 通过 cls 初始化
    nonpointer,存储着 Class、Meta-Class 对象的内存地址信息
  • 通过 bits 初始化
    nonpointer,进行一系列的初始化操作

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