iOS底层学习 - isa指针的底层实现

本文的主要目的是理解isa指针相关的一些知识。

我们都知道oc对象的本质是一个结构体，想要更好的了解这个结构体，我们就需要用到apple主导编写的编译器clang，它是一个基于LLVM的C/C++/OC的编译器，主要是用于底层编译，将文件输出成c++文件，例如main.m 输出成main.cpp，其目的是为了更好的观察底层的一些结构 及 实现的逻辑，方便理解底层原理。
具体使用可参考：https://www.jianshu.com/p/9fc7776cce9b

在main中自定义一个类LGPerson，有一个属性name，通过终端，利用clang将main.m编译成 main.cpp

clang编译main.m.jpg

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。

之前的博客中有画过一个alloc的底层执行流程分析图，我们来看看核心之一的initInstanceIsa方法，通过查看这个方法的源码实现，我们发现，isa指针的初始化，是通过isa_t这个类型来完成的，isa_t是使用联合体定义union，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的强制转换。

//initInstanceIsa
inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());
    //初始化isa
    initIsa(cls, true, hasCxxDtor); 
}

//isa_t的定义
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返回时做的强制转换
inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    if (isa.nonpointer) {
        uintptr_t slot = isa.indexcls;
        return classForIndex((unsigned)slot);
    }
    return (Class)isa.bits;
#else
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);//强制转换
#endif
}

联合体相比结构体，它也是由不同的数据类型组成，但其变量是互斥的，所有的成员共占一段内存。而且共用体采用了内存覆盖技术，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。
isa_t类型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（即二进制中每一位均可表示不同的信息）的原理实现。通常来说，isa指针占用的内存大小是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，以提高性能。
从isa_t的定义中可以看出：

• isa_t提供了两个成员，cls 和 bits，由联合体的定义所知，这两个成员是互斥的，也就意味着，当初始化isa指针时，有两种初始化方式:
  一： 通过cls初始化，bits无默认值
  二： 通过bits初始化，cls有默认值
• 还提供了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，有两个版本 arm64（对应ios 移动端） 和 x86_64（对应macOS），以下是它们的一些宏定义：
  
  位域作用域.png
  
  通过initInstanceIsa进入其中的initIsa方法，其功能主要是初始化isa指针
  
  isa初始化.png
  
  从源码可以看出，两种初始化方式，cls和bits
  而且也可看出cls 与 isa 关联原理，就是在isa指针中的shiftcls位域中存储了类的信息，将cls进行编码后，将其转换为uintptr_t数据类型，使其可以被机器码识别，然后由于shiftcls处于isa指针地址的中间部分，前面还有3个位域，为了不影响前面的3个位域的数据，需要右移将其抹零。

参考博客：https://www.jianshu.com/p/7fd6241a7124