iOS之武功秘籍 文章匯總

寫在前面

在iOS之武功秘籍②：OC對象原理-中(內(nèi)存對齊和malloc源碼分析)一文中講了對象中的屬性在內(nèi)存中的排列 -- 內(nèi)存對齊 和malloc源碼分析,那么接下我們就來分析一下isa的初始化和指向分析與對象的本質(zhì)

本節(jié)可能用到的秘籍Demo

一评矩、對象的本質(zhì)

① Clang的了解

• Clang是?個由Apple主導(dǎo)編寫拭嫁，基于LLVM的C/C++/Objective-C輕量級編譯器.源代碼發(fā)布于LLVM BSD協(xié)議下.Clang將?持其普通lambda表達式肚豺、返回類型的簡化處理以及更好的處理constexpr關(guān)鍵字筷狼。

• 它與GNU C語?規(guī)范?乎完全兼容（當然翩概，也有部分不兼容的內(nèi)容实幕，
  包括編譯命令選項也會有點差異）卸奉，并在此基礎(chǔ)上增加了額外的語法特性，?如C函數(shù)重載
  （通過__attribute__((overloadable))來修飾函數(shù)）庐船，其?標（之?）就是超越GCC.

• 它主要是用于底層編譯，將一些OC文件輸出成C++文件嘲更，例如main.m 輸出成main.cpp筐钟，其目的是為了更好的觀察底層的一些結(jié)構(gòu) 及 實現(xiàn)的邏輯，方便理解底層原理

② Clang操作指令

// 把?標?件編譯成c++?件 -- 將 main.m 編譯成 main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp 

// UIKit報錯問題 -- 將 ViewController.m 編譯成  ViewController.cpp
clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot /
Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/
iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.0.sdk ViewController.m 

// `xcode`安裝的時候順帶安裝了`xcrun`命令赋朦，`xcrun`命令在`clang`的基礎(chǔ)上進?了?些封裝篓冲，要更好??些
xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o 
main-arm64.cpp (模擬器) 
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main?arm64.cpp (?機) 

③ 探索對象本質(zhì)

• 構(gòu)建測試代碼

• 通過終端，利用clang將main.m編譯成 main.cpp,在終端輸入以下命令

  • xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp

• 打開編譯好的main-arm64.cpp宠哄，找TCJPerson的定義壹将，發(fā)TCJPerson在底層會被編譯成struct 結(jié)構(gòu)體

通過編譯好的main-arm64.cpp我們可以看到:

• NSObject的底層實現(xiàn)其實就是一個包含一個isa指針的結(jié)構(gòu)體.
• Class其實就是一個指針，指向了objc_class類型的結(jié)構(gòu)體.
• TCJPerson_IMPL結(jié)構(gòu)體內(nèi)有三個成員變量:
  • isa 繼承自父類NSObject
  • helloName
  • _name
• 對于屬性name:底層編譯會生成相應(yīng)的setter(_I_TCJPerson_setName_,setter方法內(nèi)調(diào)用objc_setProperty方法)毛嫉、getter(_I_TCJPerson_name)方法,且?guī)臀覀冝D(zhuǎn)化為_name
• 對于成員變量helloName:底層編譯不會生成相應(yīng)的setter诽俯、getter方法,且沒有轉(zhuǎn)化為_helloName

通過上述分析，理解了OC對象的本質(zhì) -- 結(jié)構(gòu)體承粤，但是看到NSObject的定義暴区，會產(chǎn)生一個疑問：為什么isa的類型是Class?

• 在iOS之武功秘籍①：OC對象原理-上(alloc & init & new)文章中,提及過alloc方法的核心之一的initInstanceIsa方法，通過查看這個方法的源碼實現(xiàn)辛臊，我們發(fā)現(xiàn)仙粱，在初始化isa指針時，是通過isa_t類型初始化的
• 而在NSObject定義中isa的類型是Class彻舰，其根本原因是由于isa對外反饋的是類信息伐割，為了讓開發(fā)人員更加清晰明確候味，需要在isa返回時做了一個類型強制轉(zhuǎn)換，類似于swift中的 as 的強轉(zhuǎn).源碼中isa的強轉(zhuǎn)如下圖所示

④ 探究屬性get隔心、set方法

通過上文的分析我們知道:對于屬性name:底層編譯會生成相應(yīng)的setter和getter方法,且?guī)臀覀冝D(zhuǎn)化為_name成員變量,而對于成員變量helloName:底層編譯不會生成相應(yīng)的setter白群、getter方法,且沒有轉(zhuǎn)化為_helloName.這其中的setter方法的實現(xiàn)依賴于runtime中的objc_setProperty.

接下來我們來看看objc_setProperty的底層實現(xiàn)

• 在objc4源碼中全局搜索objc_setProperty，找到objc_setProperty的源碼實現(xiàn)

• 進入reallySetProperty的源碼實現(xiàn)济炎，其方法的原理就是新值retain川抡，舊值release

總結(jié):
通過對objc_setProperty的底層源碼探索，有以下幾點說明：

• objc_setProperty方法的目的適用于關(guān)聯(lián)上層的set方法以及底層的set方法须尚，其本質(zhì)就是一個接口

• 這么設(shè)計的原因是崖堤，上層的set方法有很多，如果直接調(diào)用底層set方法耐床，會產(chǎn)生很多的臨時變量密幔，當你想查找一個sel時，會非常麻煩

• 基于上述原因撩轰，蘋果采用了適配器設(shè)計模式（即將底層接口適配為客戶端需要的接口）胯甩，對外提供一個接口，供上層的set方法使用堪嫂，對內(nèi)調(diào)用底層的set方法偎箫，使其相互不受影響，即無論上層怎么變皆串，下層都是不變的淹办，或者下層的變化也無法影響上層，主要是達到上下層接口隔離的目的.

下圖是上層恶复、隔離層怜森、底層之間的關(guān)系

• 外部set方法: 上層 - 個性化定制層（例如setName、setAge等）
• objc_setProperty：接口隔離層 （將外界信息轉(zhuǎn)化為對內(nèi)存地址和值的操作）
• reallySetProperty：底層實現(xiàn)層 （賦值和內(nèi)存管理）
  

二谤牡、isa底層原理

在iOS之武功秘籍①：OC對象原理-上(alloc & init & new)與iOS之武功秘籍②：OC對象原理-中(內(nèi)存對齊和malloc源碼分析)中分別分析了alloc中3核心的前兩個副硅，今天來探索initInstanceIsa是如何將cls與isa關(guān)聯(lián)的.

在此之前，需要先了解什么是聯(lián)合體翅萤，為什么isa的類型isa_t是使用聯(lián)合體定義的.那么什么是聯(lián)合體?什么又是位域?

①. 位域

①.1 定義

有些信息在存儲時恐疲，并不需要占用一個完整的字節(jié)套么，而只需占一個或幾個二進制位.例如在存放一個開關(guān)量時流纹，只有0和1兩種狀態(tài)，用1位二進位即可.為了節(jié)省存儲空間并使處理簡便违诗，C語言提供了一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)漱凝，稱為位域或位段.

所謂位域就是把一個字節(jié)中的二進位劃分為幾個不同的區(qū)域，并說明每個區(qū)域的位數(shù).每個域有一個域名诸迟，允許在程序中按域名進行操作——這樣就可以把幾個不同的對象用一個字節(jié)的二進制位域來表示.

①.2 與結(jié)構(gòu)體比較

位域的使用與結(jié)構(gòu)體相仿茸炒，它本身也是結(jié)構(gòu)體的一種.

// 結(jié)構(gòu)體
struct TCJStruct {
    // (類型說明符 元素);
    char a;
    int b;
} TCJStr;

// 位域
struct TCJBitArea {
    // (類型說明符 位域名: 位域長度);
    char a: 1;
    int b: 3;
} TCJBit;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        NSLog(@"Struct:%lu——BitArea:%lu", sizeof(TCJStr), sizeof(TCJBit));
    }
    return 0;
}

輸出Struct:8——BitArea:4.

②. 聯(lián)合體

②.1 定義

當多個數(shù)據(jù)需要共享內(nèi)存或者多個數(shù)據(jù)每次只取其一時愕乎，可以利用聯(lián)合體(union)

• 聯(lián)合體是一個結(jié)構(gòu)
• 它的所有成員相對于基地址的偏移量都為0
• 此結(jié)構(gòu)空間要大到足夠容納最"寬"的成員
• 各變量是“互斥”的——共用一個內(nèi)存首地址，聯(lián)合變量可被賦予任一成員值,但每次只能賦一種值, 賦入新值則沖去舊值.

②.2 與結(jié)構(gòu)體比較

結(jié)構(gòu)體每個成員依次存儲壁公，聯(lián)合體中所有成員的偏移地址都是0感论，也就是所有成員是疊在一起的，所以在聯(lián)合體中在某一時刻紊册，只有一個成員有效——結(jié)構(gòu)體內(nèi)存大小取決于所有元素杖挣，聯(lián)合體取決于最大那個

②.3 補充知識--位運算符

在計算機語言中春瞬，除了加、減、乘路召、除等這樣的算術(shù)運算符之外還有很多運算符凤覆，這里只為大家簡單講解一下位運算符.
位運算符用來對二進制位進行操作似扔，當然租冠，操作數(shù)只能為整型和字符型數(shù)據(jù)。C語言中六種位運算符：&按位與遏片、|按位或嘹害、^按位異或、~非吮便、<<左移和>>右移笔呀。
我們依舊引用上面的電燈開關(guān)論，只不過現(xiàn)在我們有兩個開關(guān):開關(guān)A和開關(guān)B髓需，1代表開凿可，0代表關(guān).

1)按位與&

有0出0,全1出1.

我們可以理解為在按位與運算中,兩個開關(guān)是串聯(lián)的,如果我們想要燈亮,需要兩個開關(guān)都打開燈才會亮,所以是1 & 1 = 1. 如果任意一個開關(guān)沒有打開,燈都不會亮,所以其他運算都是0.

2)按位或 |

有1出1,全0出0.

在按位或運算中,我們可以理解為兩個開關(guān)是并聯(lián)的,即一個開關(guān)開,燈就會亮.只有當兩個開關(guān)都是關(guān)的.燈才不會亮.

3)按位異或^

相同為0,不同為1.

4)非 ~

非運算即取反運算，在二進制中 1 變 0 授账，0 變 1。例如110101進行非運算后為001010惨驶，即1010.

5)左移 <<

左移運算就是把<<左邊的運算數(shù)的各二進位全部左移若干位白热，移動的位數(shù)即<<右邊的數(shù)的數(shù)值，高位丟棄粗卜，低位補0.
左移n位就是乘以2的n次方.例如：a<<4是指把a的各二進位向左移動4位.如a=00000011(十進制3)屋确，左移4位后為00110000(十進制48).

6)右移 >>

右移運算就是把>>左邊的運算數(shù)的各二進位全部右移若干位，>>右邊的數(shù)指定移動的位數(shù).例如：設(shè) a=15续扔，a>>2 表示把00001111右移為00000011(十進制3).

②.4 位運算符的運用

1)取值

可以利用按位與 &運算取出指定位的值,具體操作是想取出哪一位的值就將那一位置為1,其它位都為0,然后同原數(shù)據(jù)進行按位與計算,即可取出特定的位.

例: 0000 0011取出倒數(shù)第三位的值

// 想取出倒數(shù)第三位的值攻臀，就將倒數(shù)第三位的值置為1，其它位為0纱昧，跟原數(shù)據(jù)按位與運算
  0000 0011
& 0000 0100
------------
  0000 0000  // 得出按位與運算后的結(jié)果刨啸，即可拿到原數(shù)據(jù)中倒數(shù)第三位的值為0

上面的例子中,我們從0000 0011中取值,則有0000 0011被稱之為源碼.進行按位與操作設(shè)定的0000 0100稱之為掩碼.

2)設(shè)值

可以通過按位或 |運算符將某一位的值設(shè)為1或0.具體操作是：
想將某一位的值置為1的話，那么就將掩碼中對應(yīng)位的值設(shè)為1识脆，掩碼其它位為0设联，將源碼與掩碼進行按位或操作即可.

例: 將0000 0011倒數(shù)第三位的值改為1

// 改變倒數(shù)第三位的值善已，就將掩碼倒數(shù)第三位的值置為1，其它位為0离例，跟源碼按位或運算
  0000 0011
| 0000 0100
------------
  0000 0111  // 即可將源碼中倒數(shù)第三位的值改為1

想將某一位的值置為0的話换团，那么就將掩碼中對應(yīng)位的值設(shè)為0，掩碼其它位為1宫蛆，將源碼與掩碼進行按位或操作即可.

例: 將0000 0011倒數(shù)第二位的值改為0

// 改變倒數(shù)第二位的值艘包，就將掩碼倒數(shù)第二位的值置為0，其它位為1耀盗，跟源碼按位或運算
  0000 0011
| 1111 1101
------------
  0000 0001  // 即可將源碼中倒數(shù)第二位的值改為0

到這里相信大家對位運算符有了一定的了解.

③. 結(jié)構(gòu)體位域與聯(lián)合體的使用

我們來看下面的??:我們聲明一個TCJCar類,類中有四個BOOL類型的屬性,分別為front想虎、back、left袍冷、right,通過這四個屬性來判斷這輛小車的行駛方向.

然后我們來查看一下這個TCJCar類對象所占據(jù)的內(nèi)存大小:

我們看到,一個TCJCar類的對象占據(jù)16個字節(jié).其中包括一個isa指針和四個BOOL類型的屬性,8+1+1+1+1=12,根據(jù)內(nèi)存對齊原則,所以一個TCJCar類的對象占16個字節(jié).

我們知道,BOOL值只有兩種情況:0或1磷醋，占據(jù)一個字節(jié)的內(nèi)存空間.而一個字節(jié)的內(nèi)存空間中又有8個二進制位，并且二進制同樣只有0或1胡诗，那么我們完全可以使用1個二進制位來表示一個BOOL值.也就是說我們上面聲明的四個BOOL值最終只使用4個二進制位就可以邓线，這樣就節(jié)省了內(nèi)存空間.那我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)呢？
想要實現(xiàn)四個BOOL值存放在一個字節(jié)中煌恢，我們可以通過char類型的成員變量來實現(xiàn).char類型占一個字節(jié)內(nèi)存空間骇陈，也就是8個二進制位.可以使用其中最后四個二進制位來存儲4個BOOL值.
當然我們不能把char類型寫成屬性,因為一旦寫成屬性,系統(tǒng)會自動幫我們添加成員變量,自動實現(xiàn)set和get方法.

@interface TCJCar(){
    char _frontBackLeftRight;
}

如果我們賦值_frontBackLeftRight為1,即0b 0000 0001,只使用8個二進制位中的最后4個分別用0或者1來代表front、back瑰抵、left你雌、right的值.那么此時front、back二汛、left婿崭、right的狀態(tài)為:

我們可以分別聲明front、back肴颊、left氓栈、right的掩碼,來方便我們進行下一步的位運算取值和賦值:

#define TCJDirectionFrontMask 0b00001000 //此二進制數(shù)對應(yīng)十進制數(shù)為 8
#define TCJDirectionBackMask  0b00000100 //此二進制數(shù)對應(yīng)十進制數(shù)為 4
#define TCJDirectionLeftMask  0b00000010 //此二進制數(shù)對應(yīng)十進制數(shù)為 2
#define TCJDirectionRightMask 0b00000001 //此二進制數(shù)對應(yīng)十進制數(shù)為 1

通過對位運算符的左移<<和右移>>的了解，我們可以將上面的代碼優(yōu)化成：

#define TCJDirectionFrontMask    (1 << 3)
#define TCJDirectionBackMask     (1 << 2)
#define TCJDirectionLeftMask     (1 << 1)
#define TCJDirectionRightMask    (1 << 0)

自定義的set方法如下:

- (void)setFront:(BOOL)front
{
    if (front) {// 如果需要將值置為1婿着，將源碼和掩碼進行按位或運算
        _frontBackLeftRight |= TCJDirectionFrontMask;
    } else {// 如果需要將值置為0 // 將源碼和按位取反后的掩碼進行按位與運算
        _frontBackLeftRight &= ~TCJDirectionFrontMask;
    }
}
- (void)setBack:(BOOL)back
{
    if (back) {
        _frontBackLeftRight |= TCJDirectionBackMask;
    } else {
        _frontBackLeftRight &= ~TCJDirectionBackMask;
    }
}
- (void)setLeft:(BOOL)left
{
    if (left) {
        _frontBackLeftRight |= TCJDirectionLeftMask;
    } else {
        _frontBackLeftRight &= ~TCJDirectionLeftMask;
    }
}
- (void)setRight:(BOOL)right
{
    if (right) {
        _frontBackLeftRight |= TCJDirectionRightMask;
    } else {
        _frontBackLeftRight &= ~TCJDirectionRightMask;
    }
}

自定義的get方法如下:

- (BOOL)isFront
{
    return !!(_frontBackLeftRight & TCJDirectionFrontMask);
}
- (BOOL)isBack
{
    return !!(_frontBackLeftRight & TCJDirectionBackMask);
}
- (BOOL)isLeft
{
    return !!(_frontBackLeftRight & TCJDirectionLeftMask);
}
- (BOOL)isRight
{
    return !!(_frontBackLeftRight & TCJDirectionRightMask);
}

此處需要注意的是授瘦，代碼中!為邏輯運算符非，因為_frontBackLeftRight & TCJDirectionFrontMask代碼執(zhí)行后竟宋，返回的肯定是一個整型數(shù)提完，如當front為YES時，說明二進制數(shù)為0b 0000 1000丘侠，對應(yīng)的十進制數(shù)為8徒欣，那么進行一次邏輯非運算后，!(8)的值為0蜗字，對0再進行一次邏輯非運算!(0)帚称，結(jié)果就成了1官研，那么正好跟front為YES對應(yīng).所以此處進行兩次邏輯非運算，!!.
當然,還要實現(xiàn)初始化方法:

- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        _frontBackLeftRight = 0b00001000;
    }
    return self;
}

③.1 使用結(jié)構(gòu)體位域優(yōu)化代碼

我們在上文講到了位域的概念,那么我們就可以使用結(jié)構(gòu)體位域來優(yōu)化一下我們的代碼.這樣就不用再額外聲明上面代碼中的掩碼部分了.位域聲明格式是位域名: 位域長度.
在使用位域的過程中需要注意以下幾點:

1. 如果一個字節(jié)所蚀扯茫空間不夠存放另一位域時戏羽，應(yīng)從下一單元起存放該位域.
2. 位域的長度不能大于數(shù)據(jù)類型本身的長度，比如int類型就不能超過32位二進位.
3. 位域可以無位域名楼吃，這時它只用來作填充或調(diào)整位置.無名的位域是不能使用的.

來測試看一下是否正確,這次我們將front設(shè)為YES始花、back設(shè)為NO、left設(shè)為NO孩锡、right設(shè)為YES:

依舊能完成賦值和取值.
但是代碼這樣優(yōu)化后我們?nèi)サ袅搜诖a和初始化的代碼,可讀性很差,我們繼續(xù)使用聯(lián)合體進行優(yōu)化:

③.2 使用聯(lián)合體優(yōu)化代碼

我們可以使用比較高效的位運算來進行賦值和取值酷宵，使用union聯(lián)合體來對數(shù)據(jù)進行存儲。這樣不僅可以增加讀取效率躬窜，還可以增強代碼可讀性.

#import "TCJCar.h"

//#define TCJDirectionFrontMask 0b00001000 //此二進制數(shù)對應(yīng)十進制數(shù)為 8
//#define TCJDirectionBackMask  0b00000100 //此二進制數(shù)對應(yīng)十進制數(shù)為 4
//#define TCJDirectionLeftMask  0b00000010 //此二進制數(shù)對應(yīng)十進制數(shù)為 2
//#define TCJDirectionRightMask 0b00000001 //此二進制數(shù)對應(yīng)十進制數(shù)為 1

#define TCJDirectionFrontMask    (1 << 3)
#define TCJDirectionBackMask     (1 << 2)
#define TCJDirectionLeftMask     (1 << 1)
#define TCJDirectionRightMask    (1 << 0)

@interface TCJCar()
{
    union{
        char bits;
        // 結(jié)構(gòu)體僅僅是為了增強代碼可讀性
        struct {
            char front  : 1;
            char back   : 1;
            char left   : 1;
            char right  : 1;
        };
    }_frontBackLeftRight;
}
@end

@implementation TCJCar
- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        _frontBackLeftRight.bits = 0b00001000;
    }
    return self;
}
- (void)setFront:(BOOL)front
{
    if (front) {
        _frontBackLeftRight.bits |= TCJDirectionFrontMask;
    } else {
        _frontBackLeftRight.bits &= ~TCJDirectionFrontMask;
    }
}
- (BOOL)isFront
{
    return !!(_frontBackLeftRight.bits & TCJDirectionFrontMask);
}
- (void)setBack:(BOOL)back
{
    if (back) {
        _frontBackLeftRight.bits |= TCJDirectionBackMask;
    } else {
        _frontBackLeftRight.bits &= ~TCJDirectionBackMask;
    }
}
- (BOOL)isBack
{
    return !!(_frontBackLeftRight.bits & TCJDirectionBackMask);
}
- (void)setLeft:(BOOL)left
{
    if (left) {
        _frontBackLeftRight.bits |= TCJDirectionLeftMask;
    } else {
        _frontBackLeftRight.bits &= ~TCJDirectionLeftMask;
    }
}
- (BOOL)isLeft
{
    return !!(_frontBackLeftRight.bits & TCJDirectionLeftMask);
}
- (void)setRight:(BOOL)right
{
    if (right) {
        _frontBackLeftRight.bits |= TCJDirectionRightMask;
    } else {
        _frontBackLeftRight.bits &= ~TCJDirectionRightMask;
    }
}
- (BOOL)isRight
{
    return !!(_frontBackLeftRight.bits & TCJDirectionRightMask);
}
@end

來我們測試看一下是否正確,這次我們依舊將front設(shè)為YES浇垦、back設(shè)為NO、left設(shè)為NO荣挨、right設(shè)為YES:

通過結(jié)果我們看到依舊能完成賦值和取值.
這其中_frontBackLeftRight聯(lián)合體只占用一個字節(jié),因為結(jié)構(gòu)體中front男韧、back、left默垄、right都只占一位二進制空間,所以結(jié)構(gòu)體只占一個字節(jié),而char類型的bits也只占一個字節(jié).他們都在聯(lián)合體中,因此共用一個字節(jié)的內(nèi)存即可.
而且我們在set此虑、get方法中的賦值和取值通過使用掩碼進行位運算來增加效率,整體邏輯也就很清晰了.但是如果我們在日常開發(fā)中這樣寫代碼的話,很可能會被同事打死.雖然代碼已經(jīng)很清晰了,但是整體閱讀起來還是很吃力的.我們在這里學(xué)習(xí)了位運算以及聯(lián)合體這些知識,更多的是為了方便我們閱讀OC底層的代碼.下面我們來回到本文主題,查看一下isa_t聯(lián)合體的源碼.

④. isa_t聯(lián)合體

通過源碼我們發(fā)現(xiàn)isa它是一個聯(lián)合體,聯(lián)合體是一個結(jié)構(gòu)占8個字節(jié),它的特性就是共用內(nèi)存,或者說是互斥,比如說如果cls賦值了就不在對bits進行賦值.在isa_t聯(lián)合體內(nèi)使用宏ISA_BITFIELD定義了位域,我們進入位域內(nèi)查看源碼:

我們看到,在內(nèi)部分別定義了arm64位架構(gòu)和x86_64架構(gòu)的掩碼和位域.我們只分析arm64為架構(gòu)下的部分內(nèi)容(真機環(huán)境下).
可以清楚的看到ISA_BITFIELD位域的內(nèi)容以及掩碼ISA_MASK的值:0x0000000ffffffff8ULL.我們重點看一下uintptr_t shiftcls : 33;,在shiftcls中存儲著類對象和元類對象的內(nèi)存地址信息,我們上文講到,對象的isa指針需要同ISA_MASK經(jīng)過一次按位與運算才能得出真正的類對象地址.那么我們將ISA_MASK的值0x0000000ffffffff8ULL轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)分析一下:

從圖中可以看到ISA_MASK的值轉(zhuǎn)化為二進制中有33位都為1，上文講到按位與運算是可以取出這33位中的值.那么就說明同ISA_MASK進行按位與運算就可以取出類對象和元類對象的內(nèi)存地址信息了.

不同架構(gòu)下isa所占內(nèi)存均為8字節(jié)——64位口锭，但內(nèi)部分布有所不同朦前，arm64架構(gòu)isa內(nèi)部成員分布如下圖

• nonpointer：表示是否對isa指針開啟指針優(yōu)化 —— 0：純isa指針；1：不止是類對象地址鹃操，isa 中包含了類信息韭寸、對象的引用計數(shù)等

• has_assoc：關(guān)聯(lián)對象標志位，0沒有荆隘，1存在

• has_cxx_dtor：該對象是否有 C++ 或者 Objc 的析構(gòu)器恩伺，如果有析構(gòu)函數(shù),則需要做析構(gòu)邏輯， 如果沒有臭胜，則可以更快的釋放對象

• shiftcls：存儲類指針的值(類的地址)，即類癞尚、元類對象的內(nèi)存地址信息.在開啟指針優(yōu)化的情況下耸三，在 arm64 架構(gòu)中有 33 位用來存儲類指針

• magic：用于調(diào)試器判斷當前對象是真的對象還是沒有初始化的空間

• weakly_referenced：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

• deallocating：標志對象是否正在釋放內(nèi)存

• has_sidetable_rc：當對象引用技術(shù)大于 10 時浇揩，則需要借用該變量存儲進位

• extra_rc：當表示該對象的引用計數(shù)值仪壮，實際上是引用計數(shù)值減 1， 例如胳徽，如果對象的引用計數(shù)為 10积锅，那么 extra_rc 為 9爽彤。如果引用計數(shù)大于 10， 則需要使用到下面的 has_sidetable_rc

上面所說的當對象引用技術(shù)大于 10 時,那是一個例如, 不是具體的10.

至此我們已經(jīng)對isa指針有了新的認識缚陷，arm64架構(gòu)之后适篙，isa指針不單單只存儲了類對象和元類對象的內(nèi)存地址，而是使用聯(lián)合體的方式存儲了更多信息箫爷，其中shiftcls存儲了類對象和元類對象的內(nèi)存地址嚷节，需要同ISA_MASK進行按位與 &運算才可以取出其內(nèi)存地址值.

⑤. isa原理探索

⑤.1 isa初始化

在之前的iOS之武功秘籍①：OC對象原理-上(alloc & init & new)一文中輕描淡寫的提了一句obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor) —— 只知道內(nèi)部調(diào)用initIsa(cls, true, hasCxxDtor)初始化isa，并沒有對isa進行細說.

⑤.2 initIsa分析

• isa_t newisa(0)相當于初始化isa這個東西虎锚，newisa.相當于給isa賦值屬性.
• SUPPORT_INDEXED_ISA適用于WatchOS,isa作為聯(lián)合體具有互斥性硫痰，而cls、bits是isa的元素窜护，所以當!nonpointer=true時對cls進行賦值操作效斑，為false是對bits進行賦值操作（反正都是一家人，共用一塊內(nèi)存地址）.

⑤.3 驗證isa指針 位域（0-64）

根據(jù)前文提及的0-64位域柱徙，可以在這里通過initIsa方法證明isa指針中有這些位域（目前是處于macOS缓屠，所以使用的是x86_64）.

• 首先通過main中的TCJPerson 斷點 --> initInstanceIsa --> initIsa --> isa_t newisa(0)完成 isa初始化.
• 執(zhí)行LLDB指令: p newisa,得到newisa的詳細信息
• 繼續(xù)往下執(zhí)行，走到newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;下一行坐搔，表示為isa的bits成員賦值藏研，重新執(zhí)行LLDB命令p newisa，得到的結(jié)果如下
  

通過與前一個newsize的信息對比概行，發(fā)現(xiàn)isa指針中有一些變化蠢挡，如下圖所示

• 其中magic是59是由于將isa指針地址轉(zhuǎn)換為二進制，從47（因為前面有4個位域凳忙，共占用47位业踏，地址是從0開始）位開始讀取6位，再轉(zhuǎn)換為十進制涧卵，如下圖所示

⑥. isa與類的關(guān)聯(lián)

cls 與 isa 關(guān)聯(lián)原理就是isa指針中的shiftcls位域中存儲了類信息勤家，其中initInstanceIsa的過程是將 calloc返回的指針 和當前的 類cls 關(guān)聯(lián)起來，有以下幾種驗證方式：

• 【方式一】通過initIsa方法中的newisa.setClass(cls, this);方法里面的 shiftcls = (uintptr_t)newCls >> 3驗證
• 【方式二】通過isa指針地址與ISA_MSAK 的值 &來驗證
• 【方式三】通過runtime的方法object_getClass驗證
• 【方式四】通過位運算驗證

方式一：通過 initIsa 方法

• 運行至newisa.setClass(cls, this);方法中shiftcls = (uintptr_t)newCls >> 3;前一步柳恐，其中 shiftcls存儲當前類的值信息

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

• 執(zhí)行LLDB命令p (uintptr_t)cls乐设，結(jié)果為(uintptr_t) $2 = 4295000336,再右移三位讼庇，有以下兩種方式（任選其一），將得到536875042存儲到newisa的shiftcls中

  • p (uintptr_t)cls >> 3
  • 通過上一步的結(jié)果$2近尚，執(zhí)行LLDB命令p $2 >> 3

• 繼續(xù)執(zhí)行程序到isa = newisa;部分蠕啄，此時執(zhí)行p newisa

與bits賦值結(jié)果的對比，bits的位域中有兩處變化

• cls 由默認值，變成了TCJPerson歼跟，將isa與cls完美關(guān)聯(lián)
• shiftcls由0變成了536875042

所以isa中通過初始化后的成員的值變化過程和媳，如下圖所示

為什么在shiftcls賦值時需要類型強轉(zhuǎn)？
因為內(nèi)存的存儲不能存儲字符串哈街，機器碼只能識別 0 留瞳、1這兩種數(shù)字，所以需要將其轉(zhuǎn)換為uintptr_t數(shù)據(jù)類型叹卷，這樣shiftcls中存儲的類信息才能被機器碼理解撼港， 其中uintptr_t是long類型.

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骤竹，前面還有3個位域帝牡，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.

方式二：通過 isa & ISA_MSAK

方式三：通過 object_getClass

通過查看object_getClass的源碼實現(xiàn)蒙揣，同樣可以驗證isa與類關(guān)聯(lián)的原理靶溜，有以下幾步：

• main.m中導(dǎo)入#import <objc/runtime.h>
• 通過runtime的api，即object_getClass函數(shù)獲取類信息

object_getClass(<#id  _Nullable obj#>)

• 查看object_getClass函數(shù) 源碼的實現(xiàn)

• 點擊進入object_getClass 底層實現(xiàn)

• 進入getIsa的源碼實現(xiàn)

• 點擊ISA()懒震，進入源碼罩息，在點擊getDecodedClass

• 接著點擊getClass

• 這與方式二中的原理是一致的，獲得當前的類信息,從這里也可以得出 cls 與 isa 已經(jīng)完美關(guān)聯(lián)

方式四：通過位運算

• 回到_class_createInstanceFromZone方法.通過x/4gx obj 得到obj的存儲信息个扰，當前類的信息存儲在isa指針中瓷炮，且isa中的shiftcls此時占44位（因為處于macOS環(huán)境）

• 想要讀取中間的44位 類信息，就需要經(jīng)過位運算 递宅，將右邊3位娘香，和左邊除去44位以外的部分都抹零，其相對位置是不變的.其位運算過程如圖所示办龄，其中shiftcls即為需要讀取的類信息

  • 將isa地址右移3位：p/x 0x011d800100008111 >> 3 烘绽，得到0x0023b00020001022
  • 在將得到的0x0023b00020001022``左移20位：p/x 0x0023b00020001022 << 20 ,得到0x0002000102200000
  • 為什么是左移20位？因為先右移了3位俐填，相當于向右偏移了3位安接，而左邊需要抹零的位數(shù)有17位，所以一共需要移動20位
  • 將得到的0x0002000041d00000 再右移17位：p/x 0x0002000102200000 >> 17 得到新的0x0000000100008110

• 獲取cls的地址 與 上面的進行驗證 ：p/x cls 也得出0x0000000100008110英融，所以由此可以證明 cls 與 isa 是關(guān)聯(lián)的.

三盏檐、isa走位分析

③.1 類在內(nèi)存中只會存在一份

通過運行結(jié)果證明了類在內(nèi)存中只會存在一份.

③.2.1 通過對象/類查看isa走向

類其實和實例對象一樣，都是由上級實例化出來的——類的上級叫做元類.
我們先用p/x打印類的內(nèi)存地址驶悟，再用x/4gx打印內(nèi)存結(jié)構(gòu)取到對應(yīng)的isa胡野，再用& ISA_MASK進行偏移得到isa指向的上級（等同于object_getClass）依次循環(huán).

①打印TCJPerson類取得isa

②由TCJPerson類進行偏移得到TCJPerson元類指針，打印TCJPerson元類取得isa

③由TCJPerson元類進行偏移得到NSObject根元類指針撩银，打印NSObject根元類取得isa

④由NSObject根元類進行偏移得到NSObject根元類本身指針

⑤打印NSObject根類取得isa

⑥由NSObject根類進行偏移得到NSObject根元類指針

結(jié)論：
①實例對象-> 類對象 -> 元類 -> 根元類 -> 根元類（本身）

②NSObject（根類） -> 根元類 -> 根元類（本身）

③指向根元類的isa都是一樣的

③.2.2 通過NSObject查看isa走向

因為是NSObject（根類）它的元類就是根元類——輸出可得根元類指向自己

③.2.3 證明類给涕、元類是系統(tǒng)創(chuàng)建的

①運行時偽證法

在main之前TCJPerson類和TCJPerson元類已經(jīng)存在在內(nèi)存中豺憔，不過此時程序已經(jīng)在運行了额获，并沒有什么說服力.

②查看MachO文件法

編譯項目后,使用MachoView打開程序二進制可執(zhí)行文件查看:

結(jié)論：

• 對象是程序員(猿)根據(jù)類實例化來的
• 類是代碼編寫的够庙，內(nèi)存中只有一份，是系統(tǒng)創(chuàng)建的
• 元類是系統(tǒng)編譯時抄邀，系統(tǒng)編譯器創(chuàng)建的耘眨，便于方法的編譯

③.3 isa走位圖

我們對上圖進行總結(jié)一波:圖中實線是 super_class指針,它代表著繼承鏈的關(guān)系.虛線是isa指針.
isa走位（虛線）：實例對象-> 類對象 -> 元類 -> 根元類 -> 根元類（本身）
繼承關(guān)系（實線）：NSObject父類為nil，根元類的父類為NSObject

1.Root class (class)其實就是NSObject境肾，NSObject是沒有超類的剔难，所以Root class(class)的superclass指向nil(NSObject父類是nil).

2.每個Class都有一個isa指針指向唯一的Meta class.

3.Root class(meta)的superclass指向Root class(class)，也就是NSObject奥喻，形成一個回路.這說明Root class(meta)是繼承至Root class(class)(根元類的父類是NSObject).

4.每個Meta class的isa指針都指向Root class (meta)

• instance對象的isa指向class對象
• class對象的isa指向meta-class對象
• meta-class對象的isa指向基類的meta-class對象

寫在后面

和諧學(xué)習(xí),不急不躁.我還是我,顏色不一樣的煙火.