在分析isa与类关联的原理之前先了解clang编译器
Clang
clang是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/OC的编译器
主要是用于底层编译，将一些文件``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。
clang输出一下（clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp）
也可以用一下指令
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
输出之后的.mm太长了， 截取重要的信息：
//NSObject
#ifndef _REWRITER_typedef_NSObject
#define _REWRITER_typedef_NSObject
typedef struct objc_object NSObject;
typedef struct {} _objc_exc_NSObject;
#endif
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
//Person
typedef struct objc_object LGPerson;
typedef struct {} _objc_exc_LGPerson;
#endif
extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_LGPerson$_name;
struct LGPerson_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;//isa 继承至nsobject
NSString *_name;
};
// @property (nonatomic, copy) NSString *name;
/* @end */
// @implementation LGPerson
static NSString * _I_LGPerson_name(LGPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_LGPerson$_name)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);
static void _I_LGPerson_setName_(LGPerson * self, SEL _cmd, NSString *name) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct LGPerson, _name), (id)name, 0, 1); }
// @end
可以看出底层实现为结构体（struct）有一个属性name；
_I_LGPerson_name和_I_LGPerson_setName_为属性name的set和get方法
objc_setProperty
void objc_setProperty(id self, SEL _cmd, ptrdiff_t offset, id newValue, BOOL atomic, signed char shouldCopy)
{
bool copy = (shouldCopy && shouldCopy != MUTABLE_COPY);
bool mutableCopy = (shouldCopy == MUTABLE_COPY);
reallySetProperty(self, _cmd, newValue, offset, atomic, copy, mutableCopy);
}
再看
reallySetProperty
static inline void reallySetProperty(id self, SEL _cmd, id newValue, ptrdiff_t offset, bool atomic, bool copy, bool mutableCopy)
{
if (offset == 0) {
object_setClass(self, newValue);
return;
}
id oldValue;
id *slot = (id*) ((char*)self + offset);
if (copy) {
newValue = [newValue copyWithZone:nil];
} else if (mutableCopy) {
newValue = [newValue mutableCopyWithZone:nil];
} else {
if (*slot == newValue) return;
newValue = objc_retain(newValue);//新值 retain
}
if (!atomic) {
oldValue = *slot;
*slot = newValue;
} else {
spinlock_t& slotlock = PropertyLocks[slot]; //原子性， 加锁
slotlock.lock();
oldValue = *slot;
*slot = newValue;
slotlock.unlock();
}
objc_release(oldValue);// 释放旧值
}
isa
根据源跟踪, 我们可以到这一步
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;
}
}
isa的底层是isa_t
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
};
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
1. 通过cls初始化，bits无默认值
-2. 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，如下图所示
-
nonpointer有两个值，表示自定义的类等，占1位
- 0：纯isa指针
- 1：不只是类对象地址，isa中包含了类信息、对象的引用计数等
-
has_assoc表示关联对象标志位，占1位
- 0：没有关联对象
- 1：存在关联对象
-
has_cxx_dtor 表示该对象是否有C++/OC的析构器（类似于dealloc），占1位
- 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
-
shiftclx表示存储类的指针的值（类的地址）， 即类信息
- arm64中占 33位，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
- x86_64中占 44位
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，占6位
weakly_refrenced是 指对象是否被指向 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 标志对象是是否正在释放内存
has_sidetable_rc表示 当对象引用计数大于10时，则需要借用该变量存储进位
extra_rc（额外的引用计数） --- 导尿管表示该对象的引用计数值，实际上是引用计数值减1
如果对象的引用计数为10，那么extra_rc为9
# if __arm64__
# 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__
# 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)
# else
# error unknown architecture for packed isa
# endif
调试initIsa 方法的时候犯了错误
想查看newisa信息,
po newisa
什么信息都没有, 因这部分源码是c++, 并没有description方法, 不能用po查看
应该用 p newisa
magic = 59 ?
magic是59是由于将isa指针地址转换为二进制，从47（因为前面有4个位域，共占用47位，地址是从0开始）位开始读取6位，再转换为十进制，如下图所示
isa 与 类 的关联
cls 与 isa 关联原理就是isa指针中的shiftcls位域中存储了类信息，其中initInstanceIsa的过程是将 calloc 指针 和当前的 类cls 关联起来，有以下几种验证方式：
【方式一】通过
initIsa方法中的newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;验证【方式二】通过
isa指针地址与ISA_MSAK的值&来验证【方式三】通过runtime的方法
object_getClass验证【方式四】通过
位运算验证
方式一：通过 initIsa 方法
-
运行至
newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;前一步，其中shiftcls存储当前类的值信息此时查看
cls，是LGPerson类-
shiftcls赋值的逻辑是将LGPerson进行编码后，右移3位
image
-
执行lldb命令
p (uintptr_t)cls，结果为(uintptr_t) $2 = 4294975720,再右移三位，有以下两种方式（任选其一），将得到536871965存储到newisa的shiftcls中p (uintptr_t)cls >> 3-
通过上一步的结果
$2，执行lldb命令p $2 >> 3
image
-
继续执行程序到
isa = newisa;部分，此时执行p newisa
image与
bits赋值结果的对比，bits的位域中有两处变化cls由默认值，变成了LGPerson，将isa与cls完美关联-
shiftcls由0变成了536871965
image
所以isa中通过初始化后的成员的值变化过程，如下图所示
为什么在shiftcls赋值时需要类型强转？
因为内存的存储不能存储字符串，机器码只能识别 0 、1这两种数字，所以需要将其转换为uintptr_t数据类型，这样shiftcls中存储的类信息才能被机器码理解， 其中uintptr_t是long
为什么需要右移3位？
主要是由于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。
方式二：通过 isa & ISA_MSAK
在方式一后，继续执行，回到
_class_createInstanceFromZone方法，此时cls 与 isa已经关联完成，执行po objc执行
x/4gx obj,得到isa指针的地址0x001d8001000020e9-
将
isa指针地址 &ISA_MASK（处于macOS，使用x86_64中的宏定义），即po 0x001d8001000020e9 & 0x00007ffffffffff8，得出LGPersonarm64中，ISA_MASK 宏定义的值为0x0000000ffffffff8ULL-
x86_64中，ISA_MASK 宏定义的值为0x00007ffffffffff8ULL
image
方式三：通过 object_getClass
通过查看object_getClass的源码实现，同样可以验证isa与类关联的原理，有以下几步：
main中导入#import
通过
runtime的api，即object_getClass函数获取类信息