iOS - isa的初始化&指向分析

isa结构及初始化分析

什么是isa,首先我们先看一下isa的结构:

union isa_t {
    isa_t() { }
    isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }

    Class cls;
    uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
    //位域
    struct {
        ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
    };
#endif
};

由源码我们可以看出:isa的本质就是一个联合体:联合体中各元素共享内存，并互斥，且isa总共占有8字节.
我们来看一下宏定义ISA_BITFIELD存的又是什么呢?以x86_64为例:

#   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
/**
  位域的结构:   类型说明符 位域名：位域长度
  ISA_BITFIELD所占字节数: 1+1+1+44+6+1+1+1+8 = 64bit,即8个字节
*/

ISA_BITFIELD:

1. nonpointer :1 表示是否对isa指针开启指针优化；0代表纯isa指针，1代表不止是类对象指针，还包含了类信息、对象的引用计数等；
2. has_assoc : 1 关联对象标志位，0没有，1存在；
3. has_cxx_dtor :1 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，如果没有，则可以更快的释放对象；
4. shiftcls :33 存储类指针的值。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；
5. magic :6 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；
6. weakly_referenced :1 标志对象是否被指向或者曾经指向一个ARC的弱变量，没有弱引用的对象可以更快释放；
7. deallocating( 838.1源码中此处用 unused 代替 ):1 标志对象是否正在释放内存；
8. has_sidetable_rc :1 当对象引用计数大于10时，则需要借用该变量存储进位
9. extra_rc :19 当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，则需要使用上面提到的has_sidetable_rc。

值得注意的一点是isa的联合体中存了一个cls,其主要作用是什么呢?我们能在isa的初始化中找到答案:

objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    assert(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
        isa.cls = cls;//如果是!nonpointer类型则直接将类与isa进行绑定
    } 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; //如果是nonpointer类型则通过位域中的shiftcls将类与isa进行绑定

#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;
    }
}

由源码我们可以看出:如果是!nonpointer类型则直接将类与isa进行绑定,如果是nonpointer类型则需通过将cls进行位运算之后与shiftcls进行绑定.

isa指向分析

我们通过以下代码调用object_getClass()来探讨一下isa中类的绑定:

Class object_getClass(id obj)
{
    if (obj) return obj->getIsa();
    else return Nil;
}

getIsa:

bjc_object::getIsa() 
{
    if (!isTaggedPointer()) return ISA();//// 一般都不是TaggedPointer

    uintptr_t ptr = (uintptr_t)this;
    if (isExtTaggedPointer()) {
        uintptr_t slot = 
            (ptr >> _OBJC_TAG_EXT_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_EXT_SLOT_MASK;
        return objc_tag_ext_classes[slot];
    } else {
        uintptr_t slot = 
            (ptr >> _OBJC_TAG_SLOT_SHIFT) & _OBJC_TAG_SLOT_MASK;
        return objc_tag_classes[slot];
    }
}

ISA():

objc_object::ISA() 
{
    assert(!isTaggedPointer()); 
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    /**此处是iWatch OS，不执行*/;
#else
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
#endif
}

# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL

通过以上源码可以发现获取对象的类就是获取对象的isa,而isa通过位域&上一个mask(isa.bits & ISA_MASK)，就可以获取类。

下面我们就通过LLDB对Student *student = [Student alloc]的调试来进行验证:

由此可以看出通过isa.bits & ISA_MASK方式,确实可以获取到student的类;我们继续打印继续往下研究发现如下结果:

由此我们可以看出isa的走位为:

isa走位图

小结:

1.实例对象的isa指向的是类；
2.类的isa指向的元类；
3.元类指向根元类；
4.根元类指向自己；

最后附上官方的isa流程图:

isa流程图.png