objc_object

Objective-C 所有对象都是 C 语言结构体objc_object，这个结构体中包含一个isa成员变量，不是一个普通的指针，是一个isa_t结构体。

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:

    // ISA() assumes this is NOT a tagged pointer object
    Class ISA();

    // getIsa() allows this to be a tagged pointer object
    Class getIsa();

    // initIsa() should be used to init the isa of new objects only.
    // If this object already has an isa, use changeIsa() for correctness.
    // initInstanceIsa(): objects with no custom RR/AWZ
    // initClassIsa(): class objects
    // initProtocolIsa(): protocol objects
    // initIsa(): other objects
    void initIsa(Class cls /*nonpointer=false*/);
    void initClassIsa(Class cls /*nonpointer=maybe*/);
    void initProtocolIsa(Class cls /*nonpointer=maybe*/);
    void initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor);
}

isa_t

因为iPhone5s之后的设备是在arm64架构下，所以截取arm64架构下的代码，这个结构体是苹果经过优化的

armv64: iPhoneX, iPhone 5s-8, iPad Air — iPad Pro
armv7 : iPhone3Gs-5c, iPad WIFI(4th gen)
armv6 : iPhone — iPhone3G
the above if for real devices
i386 : 32-bit simulator
x86_64 : 64-bit simulator

i386是针对intel通用微处理器32位处理器
x86_64是针对x86架构的64位处理器

模拟器32位处理器测试需要i386架构
模拟器64位处理器测试需要x86_64架构
真机32位处理器需要armv7,或者armv7s架构
真机64位处理器需要arm64架构

为何要进行优化呢，进行了怎样的优化，看看Friday Q&A 2013-09-27: ARM64 and You怎么说的

尽管指针为64位，但在实际使用中，这些位数并不是都用上了。例如X86-64的Mac OS X系统仅使用了其中的47位。而ARM64上占用得更少，目前只有33位。只要未被系统全部占用，这些指针就能用于存储数据。这是Objective-C Runtime演进史上最重要的变化之一。

Objective-C对象是连续的内存块，这个内存块中第一个指针大小的部分称为ISA。一般来说，ISA是一个指向该对象所属类的指针。不过这么大的空间仅作为指针有点儿浪费，尤其是在64位CPU上。运行iOS的ARM64目前仅使用了一个指针的33位，而其余31位则另作他用。另外，类指针还需要对齐，这就释放了另外3位，于是ISA指针中共有34位可另作他用。苹果的ARM64 Runtime正是利用了这一点使性能有了大幅提升。

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

    Class cls;
    uintptr_t bits;

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
    struct {
        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)
    };
}

Hamster Emporium: [objc explain]: Non-pointer isa - Sealie Software一文对这些bits做了如下解释

bits	作用
nonpointer	0表示普通isa，1表示non-pointe isa
has_assoc	对象具有或曾经具有关联的引用。没有关联引用的对象可以更快地析构。
has_cxx_dtor	对象有一个C ++或ARC析构函数。没有析构函数的对象可以更快地解除分配。
shiftcls	类指针的非零位
magic	等于0xd2，调试器使用它来判断对象是否完成了初始化
weakly_referenced	对象有或者曾经有过ARC的weak对象，如果没有，析构更快
deallocating	对象正在析构
has_sidetable_rc	对象的应用计数太大，无法内敛存储
extra_rc	这个数值加1为对象的引用计数.（例如，如果extra_rc为5，则对象的实际引用计数为6.）

initIsa

在objc_object的代码中我们可以看到有好几初始化方法，最后都会走到下面这个方法，我只是截取了部分我们需要的

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    assert(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
        isa.cls = cls;
    } else {
        assert(!DisableNonpointerIsa);
        assert(!cls->instancesRequireRawIsa());

        isa_t newisa(0);

        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;
        isa = newisa;
    }
}

有一个地方不好理解

newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3

这里我们可以看到是将类地址右移三位得到有效的33位shiftcls位，Friday Q&A 2013-09-27: ARM64 and You和从 NSObject 的初始化了解 isa 解释：

使用整个指针大小的内存来存储 isa 指针有些浪费，尤其在 64 位的 CPU 上。在 ARM64 运行的 iOS 只使用了 33 位作为指针(与结构体中的 33 位无关，Mac OS 上为 47 位)，而剩下的 31 位用于其它目的。类的指针也同样根据字节对齐了，每一个类指针的地址都能够被 8 整除，也就是使最后 3 bits 为 0，为 isa 留下 34 位用于性能的优化。

绝大多数机器的架构都是 byte-addressable 的，但是对象的内存地址必须对齐到字节的倍数，这样可以提高代码运行的性能，在 iPhone5s 中虚拟地址为 33 位，所以用于对齐的最后三位比特为 000，我们只会用其中的 30 位来表示对象的地址

objc_object::ISA()

objc-object.h文件中

inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
}

define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL

ffffffff8 = 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000共36位，isa.bits和&运算后就拿到33位shiftcls，也就是类指针。

objc_class

Objective-C 中类都是 C 语言的类objc_class。

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
    
    class_rw_t *data() { 
        return bits.data();
    }
}

代码是不是看着有点奇怪，objc_class继承自objc_object，说明在Objective-C 中类也是一个对象。我们先来看看objc_class的结构：

isa：因为objc_class继承自objc_object，所以它包含一个isa成员变量，指向（MetaClass）元类
superclass：指向当前类的父类
cache：用来缓存指针和vtable(virtual table虚函数表)。Runtime运行时系统库实现了一种自定义的虚函数表分派机制。这个表是专门用来提高性能和灵活性的。用来存储IMP类型的数组
bits：class_rw_t 指针加上 rr/alloc 标志，用来存储类的属性，方法，协议等信息

class_rw_t

class_data_bits_t的data是class_rw_t结构体

struct class_rw_t {
    // Be warned that Symbolication knows the layout of this structure.
    uint32_t flags;
    uint32_t version;

    const class_ro_t *ro;

    method_array_t methods;
    property_array_t properties;
    protocol_array_t protocols;

    Class firstSubclass;
    Class nextSiblingClass;

    char *demangledName;
}

methods：方法列表
properties：属性列表
protocols：协议列表

class_ro_t

struct class_ro_t {
    uint32_t flags;
    uint32_t instanceStart;
    uint32_t instanceSize;
#ifdef __LP64__
    uint32_t reserved;
#endif

    const uint8_t * ivarLayout;
    
    const char * name;
    method_list_t * baseMethodList;
    protocol_list_t * baseProtocols;
    const ivar_list_t * ivars;

    const uint8_t * weakIvarLayout;
    property_list_t *baseProperties;

    method_list_t *baseMethods() const {
        return baseMethodList;
    }
};

instanceSize：instance对象占用的内存空间
name：类名
baseMethodList：类的原始方法列表
baseProtocols：类的原始属性列表
ivars：成员变量列表

我们看到class_rw_t和class_ro_t都有方法列表等，深入解析 ObjC 中方法的结构对此作出的解释：

在分析方法在内存中的位置时，笔者最开始一直在尝试寻找只读结构体 class_ro_t 中的 baseMethods 第一次设置的位置（了解类的方法是如何被加载的）。尝试从 methodizeClass 方法一直向上找，直到 _obj_init 方法也没有找到设置只读区域的 baseMethods 的方法。

而且在 runtime 初始化之后，realizeClass 之前，从 class_data_bits_t 结构体中获取的 class_rw_t 一直都是错误的，这个问题在最开始非常让我困惑，直到后来在 realizeClass 中发现原来在这时并不是 class_rw_t 结构体，而是class_ro_t，才明白错误的原因。

后来突然想到类的一些方法、属性和协议实在编译期决定的（baseMethods 等成员以及类在内存中的位置都是编译期决定的），才感觉到豁然开朗。

类在内存中的位置是在编译期间决定的，在之后修改代码，也不会改变内存中的位置。

类的方法、属性以及协议在编译期间存放到了“错误”的位置，直到 realizeClass 执行之后，才放到了 class_rw_t 指向的只读区域 class_ro_t，这样我们即可以在运行时为 class_rw_t 添加方法，也不会影响类的只读结构。

在 class_ro_t 中的属性在运行期间就不能改变了，再添加方法时，会修改 class_rw_t 中的 methods 列表，而不是 class_ro_t 中的 baseMethods，对于方法的添加会在之后的文章中分析。

class and metaclass

在前面的源码中可以看到，对象通过isa找到类，同时类也是一种对象，类隐式的拥有isa，那这个isa指向哪里呢，元类。

static void objc_initializeClassPair_internal(Class superclass, const char *name, Class cls, Class meta)
{
    runtimeLock.assertWriting();

    class_ro_t *cls_ro_w, *meta_ro_w;
    
    cls->setData((class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1));
    meta->setData((class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1));
    cls_ro_w   = (class_ro_t *)calloc(sizeof(class_ro_t), 1);
    meta_ro_w  = (class_ro_t *)calloc(sizeof(class_ro_t), 1);
    cls->data()->ro = cls_ro_w;
    meta->data()->ro = meta_ro_w;

    // Set basic info

    cls->data()->flags = RW_CONSTRUCTING | RW_COPIED_RO | RW_REALIZED | RW_REALIZING;
    meta->data()->flags = RW_CONSTRUCTING | RW_COPIED_RO | RW_REALIZED | RW_REALIZING;
    cls->data()->version = 0;
    meta->data()->version = 7;

    cls_ro_w->flags = 0;
    meta_ro_w->flags = RO_META;
    if (!superclass) {
        cls_ro_w->flags |= RO_ROOT;
        meta_ro_w->flags |= RO_ROOT;
    }
    if (superclass) {
        cls_ro_w->instanceStart = superclass->unalignedInstanceSize();
        meta_ro_w->instanceStart = superclass->ISA()->unalignedInstanceSize();
        cls->setInstanceSize(cls_ro_w->instanceStart);
        meta->setInstanceSize(meta_ro_w->instanceStart);
    } else {
        cls_ro_w->instanceStart = 0;
        meta_ro_w->instanceStart = (uint32_t)sizeof(objc_class);
        cls->setInstanceSize((uint32_t)sizeof(id));  // just an isa
        meta->setInstanceSize(meta_ro_w->instanceStart);
    }

    cls_ro_w->name = strdupIfMutable(name);
    meta_ro_w->name = strdupIfMutable(name);

    cls_ro_w->ivarLayout = &UnsetLayout;
    cls_ro_w->weakIvarLayout = &UnsetLayout;

    meta->chooseClassArrayIndex();
    cls->chooseClassArrayIndex();

    // Connect to superclasses and metaclasses
    cls->initClassIsa(meta);
    if (superclass) {
        meta->initClassIsa(superclass->ISA()->ISA());
        cls->superclass = superclass;
        meta->superclass = superclass->ISA();
        addSubclass(superclass, cls);
        addSubclass(superclass->ISA(), meta);
    } else {
        meta->initClassIsa(meta);
        cls->superclass = Nil;
        meta->superclass = cls;
        addRootClass(cls);
        addSubclass(cls, meta);
    }

    cls->cache.initializeToEmpty();
    meta->cache.initializeToEmpty();
}

objc-isa-class-diagram.png

上图实线是 superclass 指针，虚线是isa指针

对象调用实例方法时，是在对应类对象及其继承链上找方法。类对象调用类方法时，是在其元类及继承链上找方法
所以元类的isa指针都指向根元类（NSObject），根元类的isa指针指向自己
所有的类方法都储存在元类当中
NSObject 的超类为 nil

关于元类Classes and metaclasses 和What is a meta-class in Objective-C?解释的很详细

下面是What is a meta-class in Objective-C?的测试代码

Class newClass =
    objc_allocateClassPair([NSError class], "RuntimeErrorSubclass", 0);
class_addMethod(newClass, @selector(report), (IMP)ReportFunction, "v@:");
objc_registerClassPair(newClass);


void ReportFunction(id self, SEL _cmd)
{
    NSLog(@"This object is %p.", self);
    NSLog(@"Class is %@, and super is %@.", [self class], [self superclass]);
 
    Class currentClass = [self class];
    for (int i = 1; i < 5; i++)
    {
        NSLog(@"Following the isa pointer %d times gives %p", i, currentClass);
        currentClass = object_getClass(currentClass);
    }
 
    NSLog(@"NSObject's class is %p", [NSObject class]);
    NSLog(@"NSObject's meta class is %p", object_getClass([NSObject class]));
}

id instanceOfNewClass =
    [[newClass alloc] initWithDomain:@"someDomain" code:0 userInfo:nil];
[instanceOfNewClass performSelector:@selector(report)];
[instanceOfNewClass release];

打印结果：

This object is 0x10010c810.
Class is RuntimeErrorSubclass, and super is NSError.
Following the isa pointer 1 times gives 0x10010c600
Following the isa pointer 2 times gives 0x10010c630
Following the isa pointer 3 times gives 0x7fff71038480
Following the isa pointer 4 times gives 0x7fff71038480
NSObject's class is 0x7fff710384a8
NSObject's meta class is 0x7fff71038480

观察isa到达过的地址的值：

对象的地址是 0x10010c810

类的地址是 0x10010c600

元类的地址是 0x10010c630

根元类（NSObject的元类）的地址是 0x7fff71038480

NSObject元类的类是它本身

元类是 Class 对象的类。每个类（Class）都有自己独一无二的元类（每个类都有自己第一无二的方法列表）。这意味着所有的类对象都不同。

元类总是会确保类对象和基类的所有实例和类方法。对于从NSObject继承下来的类，这意味着所有的NSObject实例和protocol方法在所有的类（和meta-class）中都可以使用。

所有的meta-class使用基类的meta-class作为自己的基类，对于顶层基类的meta-class也是一样，只是它指向自己而已。

从 NSObject 的初始化了解 isa
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深入解析 ObjC 中方法的结构
What is a meta-class in Objective-C?
Classes and metaclasses
用 isa 承载对象的类信息

深入理解Runtime中的isa