isa與類的關係

前言

• 我們知道類的本質是一個對象，對象的本質又是一個結構體，不過其中的原因以及類與對象之間的關聯，我們好好探究下。

Clang

• 介紹對象的本質前，由於要看編譯底層的C++文件，所以我們先來看看一個編譯器:Clang
• clang是一個由Apple主導編寫，基於LLVM的C/C++/OC的编译器

對象的本質

• 興建一個project，定義一個類LGPerson，並在其中定義一個屬性name。

@interface LGPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end

@implementation LGPerson
@end

• 透過終端機下clang指令:clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

//1、將 main.m 編譯為 main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

//2、將 ViewController.m 編譯為成  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、模擬器文件編譯
- xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 

//4、真機文件編譯
- xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp 

• 即生成了.cpp的c++文件

• 我們打開這個文件，並且搜尋我們定義的類(LGPerson)，可以看到是一個(struct)結構體

//LGPerson的聲明
@interface LGPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end
//LGPerson的實現
@implementation LGPerson
@end

//經由clang編譯為C++，可以看到類對象本質是一個結構體
extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_LGPerson$_name;
struct LGPerson_IMPL {
//LGPerson中的第一個屬性NSObject_IVARS等效於NSObject中的isa
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;//等效于 Class isa;
    NSString *_name;
};

• struct LGPerson_IMPL 的第一個屬性，就是isa，偽繼承自NSObject ，偽繼承為直接將NSObject結構體定義為LGPerson中的第一个属性，意味著LGPerson擁有NSObject中的所有成员变量。

編譯後的@prorerty屬性

• 我們知道@property會執行三件事

• 生成一個私有屬性,屬性類型和@property類型一致,屬性的名稱和@property的名稱一致,屬性的名稱自動加一個下滑線。

• 生成這個屬性的getter setter方法的聲明

• 生成這個屬性的getter setter方法的實現

  • setter的實現:直接將參數的值賦值給自動生成的私有屬性。
  • getter的實現:直接返回生成的私有屬性的值。

• 透過編譯,可以看到@prorerty透過編譯器，將聲明的屬性，轉為set方法及get方法

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); }

• 而所有的@prorerty轉成的set方法都會走到objc_setProperty這個方法，真正的實現則是在reallySetProperty 這個方法裡面

• 我們可以透過源碼編譯，查看objc_setProperty→reallySetProperty

• 所有的set方法也都做了對新值retain對舊值進行release，也等於這部分的底層進行了一層接口的封裝。

補充:為何isa是class類型?

• 我們透過源碼逐步探索:alloc->_objc_rootAlloc->callAlloc->_objc_rootAllocWithZone->_class_createInstanceFromZone->initInstanceIsa->isa_t->Class ISA()
• NSObject定義中isa的類型是Class，其根本原因是由于isa對外反饋的是類信息，為了讓開發人員更加明確，需要在isa返回時做一個類型強制轉換,類似於swift中的 as 的強轉。源碼中isa的強轉如下圖所示。

總結

• objc_setProperty 為一個接口，將傳入的set方法，及reallySetProperty 的實現進行關聯

• 接口隔離層的目的為，當傳入的方法有很多時，如果沒有接口隔離層，就會產生許多臨時變量，查找sel時也較不方便。

• 於是乎蘋果提供了適配器模式 (將底層接口適配為客戶端所需的接口)，對上層傳入提供一個街口，對下層調用底層的set方法，使上下層不相互影響，達到接口隔離的目的。

cls與isa的關聯原理

• 在alloc&init源碼分析與內存對其原理中，提到了alloc的核心三步，那麼到底initInstanceIsa是如何將cls與isa關聯的？
• 在此之前，我們必須先瞭解聯合體，為什麼isa的類型isa_t是使用聯合體定義

結構體(struct) vs 聯合體(union)

• union （ 共用體）：構造數據類型,也叫聯合體

  用途：使幾個不同類型的變量共佔一段內存(相互覆蓋)

  優點:節約內存

  缺點:包容性差

• struct ( 結構體 )：是一種構造類型

  用途： 把不同的數據組合成一個整體——自定義數據類型

  優點:包容性比union好

  缺點:較union耗費內存空間

• 主要區別：

  1. struct和union都是由多個不同的數據類型成員組成, 但在任何同一時刻, union中只存放了一個被選中的成員; 而struct的所有成員都存在。在struct中，各成員都佔有自己的內存空間，它們是同時存在的,一個struct變量的總長度等於所有成員長度之和，遵從字節對齊原則; 在Union中，所有成員不能同時佔用它的內存空間，它們不能同時存在 , Union變量的長度等於最長的成員的長度。

  2. 對於union的不同成員賦值, 將會對其它成員重寫, 原來成員的值就不存在了,所以，共同體變量中起作用的成員是最後一次存放的成員; 而對於struct的不同成員賦值是互不影響的。

  isa的類型isa_t

• 通過initInstanceIsa探索可以找到isa指針的類型isa_t的定義，從定義中可以看出是通過联合体（union）定義的。

    union isa_t {
        isa_t() { }
        isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    //cls與bits兩者互斥，即只有一個會存在
        Class cls;
        uintptr_t bits;
    #if defined(ISA_BITFIELD)
        struct {
            ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
        };
    #endif
    };

isa_t類型使用聯合体的原因也是基於内存優化的考慮，這裡的內存優化是指在isa指針中通過char + 位域（即二進制中每一位均可表示不同的信息）的原理實現。通常來說，isa指针佔用的內存大小是8字節，即64位，已經足夠存儲很多的信息了，這樣可以極大的節省內存，以提高性能，這樣的isa指針稱為nopointer_isa且大部分自定義的類都是nopointer_isa

從isa_t的定義中可以看出：

• 提供了兩個成員，cls和bits，由聯合體的定義所知，這兩個成員是互斥的，也就意味著，當初始化isa指針時，有兩種初始化方式
  • 通過cls初始化，bits无默认值
  • 通過bits初始化，cls有默认值
• 還提供了一個結構體定義的位域，用於存儲類信息及其他信息，結構體的成員ISA_BITFIELD，這是一個宏定義，有兩個版本__arm64__（對應ios移動端）和__x86_64__（對應macOS），以下是它們的一些宏定義，如下圖所示

原理探索

• 透過alloc --> _objc_rootAlloc --> callAlloc --> _objc_rootAllocWithZone --> _class_createInstanceFromZone方法路徑，查找到initInstanceIsa，並進入其原理實現

• 此方法主要分為兩部分
  1:透過cls初始化isa
  2:通過bits初始化isa

證明指針位域

• 首先通過main中的LGPerson斷點--> initInstanceIsa--> initIsa-->走到else中的isa初始化

  
  
  • 執行lldb指令: p newisa

• 點擊stepOver走到bits賦值後，再輸入一次p newisa 比對newisa信息。

• 通過與前一個newsize的信息對比，發現isa指針中有一些變化，如下圖所示

• 為何magic為59?

isa與類關聯

• cls與isa關聯原理就是isa指針中的shiftcls位域中儲存了類信息，其中initInstanceIsa的過程是將calloc指針和當前的類cls 關聯起來，有以下幾種驗證方式:
  • 驗證方式一：通過initIsa方法中的newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;驗證
  • 驗證方式二：通過isa指针地址與ISA_MSAK的值&來驗證
  • 驗證方式三：通過runtime的方法object_getClass驗證
  • 驗證方式四：通過位運算驗證

驗證方式一：initIsa

運行至newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;前一步，其中shiftcls存儲當前类的值信息

• 此時查看cls，是LGPerson類
• shiftcls賦值的邏輯是將LGPerson進行編碼後，右移3位

執行lldb命令p (uintptr_t)cls，結果為(uintptr_t) $2 = 4294975896,再右移三位，有以下兩種方式（任選其一），將得到536871987存儲到newisa的shiftcls中

• p (uintptr_t)cls >> 3

• 通過上一步的結果$0 = 4294975896，執行lldb命令p $0 >> 3

• 在執行到isa = newisa;部分，此時lldb執行p newisa 打印newisa 的信息

驗證方式二：通過isa & ISA_MSAK

• 在方式一後，繼續執行，回到_class_createInstanceFromZone方法，此時cls 与 isa已经关联完成，執行po objc

• 執行x/4gx obj,得到isa指針的地址0x001d80010000219d

• 將isa指針地址& ISA_MASK（處於macOS，使用x86_64中的宏定義），

  即po 0x001d80010000219d & 0x00007ffffffffff8ULL，得出LGPerson

  而ISA_MASK就是進行了左移右移。

驗證方式三：通過object_getClass

通過查看object_getClass的源碼實現，同樣可以驗證isa與類關聯的原理，有以下幾步：

• main中導入#import
• 通過runtime的api，即object_getClass函數獲取類信息

• 查看object_getClass函數源碼的實現

• 點擊進入object_getClass底層實現

• 進入getIsa的源碼實現

• 點擊ISA()，進入源碼，可以看到如果是indexed類型，執行if流程，反之執行的是else流程

• 在else流程中，拿到isa的bits這個位，再& ISA_MASK，這與方式二中的原理是一致的，获得当前的类信息
• 從這裡也可以得出 cls 与 isa 已经关联

方式四：通過位運算

• 回到_class_createInstanceFromZone方法。通過x/4gx obj得到obj的存儲信息，當前類的信息存儲在isa指針中，且isa中的shiftcls此時佔44位（因為處於macOS環境）

• 想要读取中間的44位类信息，就需要經過位运算，將右邊3位，和左邊除去44位以外的部分都抹零，其相对位置是不变的。其位運算過程如圖所示，其中shiftcls即為需要读取的类信息

• 將isa地址

  • 右移3位：p/x 0x001d80010000219d >> 3，得到0x0003b00020000433
  • 將得到的0x0003b00020000433<<左移20位：p/x 0x0003b0002000041d << 20,得到0x0002000043300000
  • 為什麼是左移20位？因為先右移了3位，相當於向右偏移了3位，而左边需要抹零的位數有17位，所以一共需要移動20位
  • 得到的0x0002000043300000再右移17位：p/x 0x0002000043300000 >> 17得到新的0x0000000100002198獲取cls的地址與上面的進行驗證：p/x cls也得出0x00000001000020e8，所以由此可以證明cls與isa是關聯的