03 - isa結構探索及關聯(lián)類

今天的主題是探索isa的結構在此之前我們需要先了解下什么是聯(lián)合體

構造數(shù)據(jù)類型的方式有以下兩種 :

結構體 (struct)
聯(lián)合體 (union ,也稱為共用體)

結構體

結構體是指把不同的數(shù)據(jù)組合成一個整體，其變量是共存的咖杂，變量不管是否使用滤馍，都會分配內存狂打。

缺點：所有屬性都分配內存，比較浪費內存僚碎，假設有4個int成員相满，一共分配了16字節(jié)的內存，但是在使用時，你只使用了4字節(jié)诗箍，剩余的12字節(jié)就是屬于內存的浪費
優(yōu)點：存儲容量較大癣籽，包容性強，且成員之間不會相互影響

聯(lián)合體

聯(lián)合體也是由不同的數(shù)據(jù)類型組成滤祖，但其變量是互斥的筷狼，所有的成員共占一段內存。而且共用體采用了內存覆蓋技術匠童，同一時刻只能保存一個成員的值埂材，如果對新的成員賦值，就會將原來成員的值覆蓋掉

缺點：汤求，包容性弱
優(yōu)點：所有成員共用一段內存俏险，使內存的使用更為精細靈活严拒，同時也節(jié)省了內存空間

兩者的區(qū)別

內存占用情況
結構體的各個成員會占用不同的內存，互相之間沒有影響
共用體的所有成員占用同一段內存竖独，修改一個成員會影響其余所有成員
內存分配大小
結構體內存 >= 所有成員占用的內存總和（成員之間可能會有縫隙）
共用體占用的內存等于最大的成員占用的內存

現(xiàn)在我們已經(jīng)大致了解什么是聯(lián)合體,下面進行isa探索,上代碼

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        
        
        Person *objc = [Person alloc];

        NSLog(@"Hello, World!  %@",objc);
    }
    return 0;
}

從alloc的源碼跟進去到關聯(lián)指針和類的步驟：

if (!zone && fast) {
        obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
    } else {
        // Use raw pointer isa on the assumption that they might be
        // doing something weird with the zone or RR.
        obj->initIsa(cls);
    }

跟進obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);

inline void 
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
    ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
    ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

主要做的事情是initIsa(cls, true, hasCxxDtor);

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
        isa = isa_t((uintptr_t)cls); // isa 初始化
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());

        isa_t newisa(0);  // isa 初始化
#if SUPPORT_INDEXED_ISA // !nopointmenter 執(zhí)行的流程 ,即isa通過cls定義
        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 //bits 時執(zhí)行的流程
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;//bist進行賦值  為0x001d800000000001ULL
        // 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;
    }
}

可以看到不管!nonpointer條件是否滿足裤唠，都會生成一個isa_t的類型。跟進去可以發(fā)現(xiàn)：

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
};

isa_t類型使用聯(lián)合體的原因也是基于內存優(yōu)化的考慮莹痢，這里的內存優(yōu)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(xiàn)种蘸。通常來說，isa指針占用的內存大小是8字節(jié)竞膳，即64位航瞭，已經(jīng)足夠存儲很多的信息了，這樣可以極大的節(jié)省內存坦辟，以提高性能

從isa_t的定義中可以看出：

提供了兩個成員刊侯，cls 和bits，由聯(lián)合體的定義所知长窄，這兩個成員是互斥的滔吠，也就意味著，當初始化isa指針時挠日，有兩種初始化方式

通過cls初始化疮绷，bits無默認值

通過bits初始化，cls有默認值

還提供了一個結構體定義的位域嚣潜，用于存儲類信息及其他信息冬骚，結構體的成員ISA_BITFIELD，這是一個宏定義懂算，有兩個版本 __arm64__（對應ios 移動端）和__x86_64__（對應macOS）只冻，以下是它們的一些宏定義，如下圖所

位域宏定義

其中存儲的成員信息：

nonpointer一般自定義的類都是這個類型的计技，而系統(tǒng)類才會有純isa指針的情況喜德，占1位。
0：純isa指針垮媒。
1：不只是類對象地址舍悯，isa中包含了類信息、對象的引用計數(shù)等睡雇。
has_assoc關聯(lián)對象標志位萌衬，0代表沒有關聯(lián)對象，1代表存在關聯(lián)對象它抱，占1位秕豫。
has_cxx_dtor該對象是否有C++或OC的析構器，如果有析構函數(shù)观蓄，則需要做析構邏輯混移，如果沒有祠墅，則可以更快釋放對象，占1位沫屡。
shiftclx存儲類指針的值饵隙，也就是類信息，開啟指針優(yōu)化的情況下沮脖，在arm64架構中有33位用來存儲類指針金矛，`x86_64``架構中占44位。
magic 用于調試器判斷當前對象是真的對象還是沒有初始化的空間勺届，占6位驶俊。
weakly_refrenced是指對象是否被指向或者曾經(jīng)指向一個ARC的弱變量，沒有弱引用的對象可以更快釋放免姿。
deallocating 標志對象是否正在釋放內存饼酿。
has_sidetable_rc當對象引用計數(shù)大于2的19次方(x86_64架構為2的8次方)時，則需要存儲到散列表胚膊，這時該變量值變?yōu)?code>true故俐。
extra_rc表示該對象的``引用計數(shù)值，最大為2的19次方(x86_64架構為2的8次方)紊婉，實際上是引用計數(shù)值減1药版，，如果大于最大容量喻犁，就需要取一半計數(shù)存到散列表中槽片，真機上最多有8張散列表存儲對象引用計數(shù)，x86_64則最多64張肢础，這時上面的has_sidetable_rc值置為true还栓。

針對兩種不同平臺，其isa的存儲情況如圖所示

bits位域分布

下面驗證alloc過程中isa是如何跟類進行關聯(lián)的

上面 initIsa方法的源碼實現(xiàn)我們可以發(fā)現(xiàn)邏輯主要分為兩部分

通過 cls 初始化 isa
通過 bits 初始化 isa

運行源碼斷點如圖打印newisa信息

調試結果

-繼續(xù)執(zhí)行传轰，到newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;下一行剩盒，表示為isa的bits成員賦值，重新執(zhí)行l(wèi)ldb命令p newisa慨蛙，得到的結果如下

調試結果

對比發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)生變化,可以看到賦值后的nonpointer已經(jīng)是1了辽聊，magic為59。

其中magic是59是由于將isa指針地址轉換為二進制股淡，從47（因為前面有4個位域，共占用47位廷区，地址是從0開始）位開始讀取6位唯灵，再轉換為十進制，如下圖所示

計算器結果

此時此刻隙轻，可以得出結果埠帕，這magic的59確實是由0x001d800000000001ULL填進去的垢揩。

繼續(xù)執(zhí)行過newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;這一步打印newisa

賦值結果

shiftcls由0變成了536871965即為 (uintptr_t)cls >> 3

為什么在`shiftcl`s賦值時需要類型`強轉`？

因為內存的存儲不能存儲字符串敛瓷，機器碼只能識別0 叁巨、1這兩種數(shù)字，所以需要將其轉換為uintptr_t數(shù)據(jù)類型呐籽，這樣shiftcls中存儲的類信息才能被機器碼理解锋勺，其中uintptr_t是long

為什么需要`右移3位`？

主要是由于shiftcls處于isa指針地址的中間部分狡蝶，前面還有3個位域庶橱，為了不影響前面的3個位域的數(shù)據(jù)，需要右移將其抹零

進一步驗證`類與指針對象`相關聯(lián)

位運算流程圖

1. 控制臺打印這個obj指針贪惹，并將isa的內存地址右移3位苏章，再左移20位，再右移17位奏瞬，這時再打印地址移動之后的isa的地址枫绅，可以看到，就是我們上面關聯(lián)的類硼端，也就是說這時對象指針和類關聯(lián)上了, 如圖
1. 通過isa & ISA_MSAK 如圖

位運算驗證結果

03 - isa結構探索及關聯(lián)類

結構體

聯(lián)合體

為什么在shiftcls賦值時需要類型強轉？

為什么需要右移3位？

進一步驗證類與指針對象相關聯(lián)

為什么在`shiftcl`s賦值時需要類型`強轉`？

為什么需要`右移3位`？

進一步驗證`類與指針對象`相關聯(lián)