OC底层原理 学习大纲
对象的本质
1. Clang探索
Clang是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/Objective-C轻量级编译器。源代码发布于LLVM BSD协议下。 Clang将支持其普通lambda表达式、返回类型的简化处理以及更好的处理constexpr关键字。- 它与
GNU C语言规范几乎完全兼容(当然，也有部分不兼容的内容， 包括编译命令选项也会有点差异)，并在此基础上增加了额外的语法特性，比如C函数重载(通过__attribute__((overloadable))来修饰函数)，其目标(之一)就是超越GCC。
2. 操作指令：
//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
clang -x objective-c -rewrite-objc -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator.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
3. 探索
- 构建测试代码
@interface HTPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end
@implementation HTPerson
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
// insert code here...
NSLog(@"Hello, World!");
}
return 0;
}
打开
终端，cd到main.m的文件夹。-
输入
clang指令：clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp将objc语言的main.m文件重写为cpp格式的文件
image.png -
忽略
warnings警告，查看main.m文件夹。发现已生成main.cpp文件
（cpp的意思是c plus plus）
image.png 打开
main.cpp文件。 内容很长。我们搜索自定义类HTPerson
- 可以发现，
对象在底层已经编译成struct结构体 -
_I_HTPerson_name是属性name的get方法 -
_I_HTPerson_setName_是属性name的set方法。 set方法内调用objc_setProperty方法。
同时我们发现，HTPerson_IMPL struct 中有一个NSObject_IMPL struct。 这就是表明HTPerson继承自NSObject。
不相信？
我们在main.m中创建一个HTCar类继承自HTPerson
@interface HTCar : HTPerson
@end
@implementation HTCar
@end
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
HTPerson * person = [[HTPerson alloc]init];
NSLog(@"%@", person);
}
return 0;
}
使用clang将main.m编译为main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp
在main.cpp中搜索HTCar:
服不服？
结论
OC结构体没有继承关系，但是C和C++语言中，结构体是有继承关系的。OC对象在底层被C语言编程成结构体。而C语言结构体的继承方式，是每一个结构体第一个属性都包含父结构体的所有信息。如此，实现了OC类的继承关系OC对象的本质就是结构体，结构体中包含了所有属性方法和父类信息
4. 探究属性get、set方法
对象核心功能就是
信息的存取，即get和set方法。我们没有独立实现
get和set方法，工程中也找不到属性的get和set方法，但这2个方法为什么可以直接使用呢?
其实上面已经有答案了。对象在底层将属性都进行了记录。并自动实现了他们的get和set方法。
get方法我们看懂，就是直接访问指针地址，返回
指针地址的值。set方法调用了
objc_setProperty函数进行赋值。
我们打开objc4源码。搜索objc_setProperty。
-
点击进入内部，发现所有
objc_setProperty方法都调用了reallySetProperty：
image.png 所有值变更（
set），都是reallySetProperty在处理。(同时管理引用计数)
所有外层属性的set方法。都会来到objc_setProperty方法，调用了reallySetProperty实现set功能。
- 外部
set方法: 个性化定制层（例如setName、setAge等）
↓ -
objc_setProperty：接口隔离层 （将外界信息转化为对内存地址和值的操作）
↓ -
reallySetProperty：底层实现层 （赋值和内存管理）
这是一个典型的封装设计思维。
isa
oc对象的本质是结构体，我们在main.cpp的文件中了解到。HTPerson_IMPL继承自NSObject_IMPL。我们搜索
struct NSObject_IMPL
- 发现
NSObject对象在底层就是编译为isa， 其类型为Class
到这里，我们可以肯定对象在底层，是通过继承isa来继承父类信息。
- 在OC底层原理三：探索alloc （你好，alloc大佬 ）中，我们知道了alloc的三大核心函数，包含
initInstanceIsa创建isa并完成类的关联。
现在，让我们揭开isa的神秘面纱。
1. union联合体位域
首先了解union联合体位域，isa的类型结构就是union。
小案例：
如果我们创建Car对象，我们需要控制它的前后左右4个方向。我们可以这样定义：
@interface Car : NSObject
@property(nonatomic, assign) BOOL front; // 2字节
@property(nonatomic, assign) BOOL back; // 2字节
@property(nonatomic, assign) BOOL left; // 2字节
@property(nonatomic, assign) BOOL right; // 2字节
@end
-
BOOL类型占用2字节, 每个字节是8位（Bit）。 -
Car对象所有属性占用内存大小:4属性 * 2字节 * 8位 = 64位。
在系统层面，我们会考虑极致的性能。用4位就实现前后左右的处理，每1位记录一个方向的信息。极大的节约内存空间。
- 用
2位更节省，每1位可记录2个信息.- 但使用
4位存储，每1位独立记录1个信息。可以使用位运算来高效处理，在性能上更有优势)
image.png
这就是我们要介绍的union联合体位域。
-
结构体的类型大小大于等于内部所有变量的类型大小总和(参考结构体内存优化) -
联合体类型大小等于最大成员类型大小 -
位域: 每一个二进制位均表示不同信息
2. isa结构
我们在objc4源码中找到initIsa
发现isa的赋值是isa_t结构,进入查看：
发现isa_t就是使用的union联合体结构。
通常来说，isa指针占用内存大小是8字节，即64位。对于系统来说已经足够了。
- 我们知道
union联合体内部属性是互斥关系。 所以cls和bits不共存。
进入ISA_BITFILED宏定义，可以看到isa的全部结构。 庐山真面目揭开了。
nonpointer: 表示是否对 isa 指针开启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
magic:用于调试器判断当前对象是真对象还是未初始化的空间
weakly_referenced: 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。
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has_sidetable_rc。
-
isa中最重要的是shiftcls,它存储了类指针的值。但是除了这个信息，isa还存储了很多其他标志性信息。
现在我们了解了isa的结构，让我们运行objc4源码来完整了解信息
3. 检验isa
-
main.m中测试代码，在HTPerson初始化一行加入断点
#import "HTPerson.h"
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
HTPerson * person = [[HTPerson alloc]init];
NSLog(@"%@", person);
}
return 0;
}
进入alloc->_objc_rootAlloc->callAlloc->_objc_rootAllocWithZone-> _class_createInstanceFromZone，加入断点:
继续进入initInstanceIsa->initIsa，加断点：
需要确保cls是HTPerson。
SUPPORT_INDEXED_ISA宏定义：
我们现在是电脑端，所以是这个条件为false,宏的值为0
isa_t是上面讲到的isa默认初始化的方法-
所以
isa_t newisa(0)后，newisa已经完成默认初始化，但还未赋值，我们打印p newisa：
image.png -
进入
ISA_MAGIC_VALUE宏，看到
image.png -
继续断点，打印：
image.png -
为何
magci是59？
打开计算器，将显示改为编程器,选择16进制，粘贴cls的地址
image.png
我们看到1 1101 1。
- 将计算器改为
10进制，输入59，看二进制结果：
image.png
这个59是在默认值中设定的。
-
接着往下走，断点设在
shiftcls后一行，打印：
image.png 此时，我们已将
HTPerson类信息完整的存到isa的shiftcls中。isa与HTPerson完成绑定。
为何要右移3位？
因为(uintptr_t)cls是将cls初始化为uintptr_t格式。但是初始化时，前3位是标记符，shiftcls是从第四位才开始。所以要移除前三位。
image.png
我回到上一层_class_createInstanceFromZone，加断点。继续走。
- 打印
obj，x/4gx查看地址信息。 首地址就是isa。 - 我们取
isa地址。按照isa的初始化格式，我们&mask偏移值(查上面isa结构图)。就得到了shiftcls。 -
shiftcls存储的就是类信息。 所以直接打印出了类信息。
image.png
当我们对
isa的结构完全熟悉后。就能理解为什么首地址符有时候打印不出类名了。因为标记符可能存在数据，影响了地址的读取。类的信息只存储在isa的
shiftcls中。我们可以手动左移右移，将前3后17位置的信息全部移除。这样就可以直接读取了。
image.png
拓展
runtime运行时object_getClass(perosn)返回的也是isa地址。
Class object_getClass(id obj)
{
if (obj) return obj->getIsa();
else return Nil;
}
梳理了一份 【对象、类、isa 的逻辑关系】
拓展答疑：
- 属性修饰符
strong、weak、retain、copy、assign:
clang编译文件，打开cpp文件，可以发现：
retain和copy都是调用了objc_setProperty。 不同的是objc_setProperty内部实现不同：
（详看objc4源码中的objc_setProperty代码）
copy和mutableCopy：是新开辟空间，旧值release；其他修饰类型：是新值retain，旧值release。
strong、assign类型都是直接使用地址进行赋值(通过对象地址偏移相应字节找到属性地址)如果在
set方法后加入断点，可以在汇编层看到所有属性赋值后，会调用objc_storeStrong。image.pngimage.png
运行代码，进入断点，可以看到：
image.png
（在所有赋值完成后，objc_storeStrong在最后执行一次）
- 在
objc4源码中查看objc_storeStrong代码。可以发现它内部就是对对象进行了retain和release。
image.png
下一节：OC底层原理九：类的原理分析