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引言

我們都知道，Runtime 是 Objective-C 這門動態(tài)語言的核心根穷，只有理解了它姜骡，我們才能夠更好的理解 Objective-C 到底是如何工作的导坟，在編程時，也會更加得心應(yīng)手圈澈。由于時間和精力有限惫周，此次我主要想從以下幾方面來進行 Runtime 源碼的閱讀，日后將會逐步完善士败。由于總體篇幅較長闯两，所以我將會每一部分拆分成一篇文章來具體分析。

目錄

一谅将、對象的本質(zhì)漾狼，了解 isa

二、對象的生命周期

三饥臂、對象的引用計數(shù)

四逊躁、對象的擴展方法

五、Runtime 的應(yīng)用

對象的本質(zhì)隅熙，了解 isa

首先來看一看對象和類的定義

/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

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


// 其內(nèi)部有一個指向 Class 的指針稽煤，而 Class 是什么呢

// An opaque type that represents an Objective-C class.
typedef struct objc_class *Class;

// 再來看一下  objc_class 的定義,需要注意的是，objc_class 也是繼承自 objc_object囚戚， 由于 objc_object 中已經(jīng)定義了一個 isa 指針酵熙，由于結(jié)構(gòu)體中所有的成員都是 public 的，所以 objc_class 也就擁有了 isa 并且也擁有訪問 isa 的權(quán)限驰坊。
struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;   // 此時匾二，類中的 isa 指針指向的是 metaClass 元類
    Class superclass;  // 父類
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable 類的方法緩存，因為 Runtime 時會把第一次遇到的方法緩存到方法緩存中拳芙，此后將直接從緩存中讀取方法察藐，極大提高了效率
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
  //  class_data_bits_t <==> class_rw_t + 一個 rr/alloc 位
};

所以到這里，我們也就理解到了舟扎，實際上分飞，類也是一個對象

• 我們需要知道的是，在 Objective-C 中睹限，對象的方法并沒有存儲于對象的結(jié)構(gòu)體中（如果每一個對象都保存了自己能執(zhí)行的方法譬猫，那么對內(nèi)存的占用有極大的影響）。在調(diào)用實例方法時邦泄，而是通過 isa 指針來尋找相應(yīng)的類删窒，通過 class_data_bits_t 來尋找類中的方法。具體是如何尋找的顺囊，我們看??

  // 首先 class_data_bits_t 中有一個 bits 位
  struct class_data_bits_t {
  
      // Values are the FAST_ flags above.
      uintptr_t bits;
   public:
  
    // 這里返回的數(shù)據(jù)是 class_rw_t* 指針類型的數(shù)據(jù)，在這個方法中我們可以看出蕉拢，將 bits 與 FAST_DATA_MASK 進行位運算特碳，只取其中的 [3, 47] 位轉(zhuǎn)換成 class_rw_t * 返回诚亚。
      class_rw_t* data() {
          return (class_rw_t *)(bits & FAST_DATA_MASK);
      }
  }
  
  // data() 返回的是一個 class_rw_t* 指針， class_rw_t 又是什么午乓？
  
  // 類中的屬性站宗、方法還有遵循的協(xié)議等信息都保存在 class_rw_t 中：
  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;
  
  #if SUPPORT_INDEXED_ISA
      uint32_t index;
  #endif
  };
  // 由此我們可以看出， class_rw_t 中包含了一些關(guān)于類的信息益愈，比如 flag梢灭， 版本號， 方法數(shù)組蒸其， 屬性數(shù)組等敏释。而其中又有一個指向 class_ro_t 的指針， class_ro_t 又是什么摸袁？
  // 原來钥顽，class_ro_t 中存儲了當前類在編譯期就已經(jīng)確定的屬性、方法以及遵循的協(xié)議靠汁。
  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;
      }
  }; 
  

• 所以由此蜂大，我們知道 class_ro_t 保存的是在編譯期時就已經(jīng)確定的方法，所以當在編譯期時蝶怔， class_data_bits_t 將直接指向 class_ro_t 奶浦，而后在 Runtime 時，將會調(diào)用 class_data_bits_t 的 data() 直接將結(jié)果從 class_rw_t 轉(zhuǎn)化成 class_ro_t 指針踢星， 然后再初始化一個 class_rw_t 指針澳叉，此時它中的數(shù)據(jù)都為空，然后再設(shè)置它的 ro 變量和 flag斩狱， 最后再為其設(shè)置正確的 data

  /***********************************************************************
  * realizeClass
  * Performs first-time initialization on class cls, 
  * including allocating its read-write data.
  * Returns the real class structure for the class. 
  * Locking: runtimeLock must be write-locked by the caller
  **********************************************************************/
  static Class realizeClass(Class cls)
  {
      runtimeLock.assertWriting();
  
      const class_ro_t *ro;
      class_rw_t *rw;
      Class supercls;
      Class metacls;
      bool isMeta;
  
      if (!cls) return nil;
      if (cls->isRealized()) return cls;
      assert(cls == remapClass(cls));
  
      // fixme verify class is not in an un-dlopened part of the shared cache?
  
    // 強制轉(zhuǎn)化為 ro
      ro = (const class_ro_t *)cls->data();
      if (ro->flags & RO_FUTURE) {
          // This was a future class. rw data is already allocated.
          rw = cls->data();
          ro = cls->data()->ro;
          cls->changeInfo(RW_REALIZED|RW_REALIZING, RW_FUTURE);
      } else {
          // Normal class. Allocate writeable class data.
        // 這時候首先給 rw 分配內(nèi)存空間并且初始化為 0
          rw = (class_rw_t *)calloc(sizeof(class_rw_t), 1);
        // 使 rw 指向 ro
          rw->ro = ro;
        // 設(shè)置 rw 的 flag 為 正在初始化和已經(jīng)初始化
  /**
        // class is realized - must never be set by compiler
            #define RO_REALIZED           (1<<31)
  
        // Values for class_rw_t->flags
        // These are not emitted by the compiler and are never used in class_ro_t. 
        // Their presence should be considered in future ABI versions.
        // class_t->data is class_rw_t, not class_ro_t
            #define RW_REALIZED           (1<<31)
  */
          rw->flags = RW_REALIZED|RW_REALIZING;
          cls->setData(rw);
      }
  
    // 判斷是否為 metaClass  RO_META (1 << 0)
      isMeta = ro->flags & RO_META;
  
      rw->version = isMeta ? 7 : 0;  // old runtime went up to 6
      // Choose an index for this class.
    // Sets cls->instancesRequireRawIsa if indexes no more indexes are available
    cls->chooseClassArrayIndex();
  
    if (PrintConnecting) {
        _objc_inform("CLASS: realizing class '%s'%s %p %p #%u", 
                     cls->nameForLogging(), isMeta ? " (meta)" : "", 
                     (void*)cls, ro, cls->classArrayIndex());
    }
  
    // Realize superclass and metaclass, if they aren't already.
    // This needs to be done after RW_REALIZED is set above, for root classes.
    // This needs to be done after class index is chosen, for root metaclasses.
    supercls = realizeClass(remapClass(cls->superclass));
    metacls = realizeClass(remapClass(cls->ISA()));
    #if SUPPORT_NONPOINTER_ISA
      // Disable non-pointer isa for some classes and/or platforms.
    // Set instancesRequireRawIsa.
    bool instancesRequireRawIsa = cls->instancesRequireRawIsa();
    bool rawIsaIsInherited = false;
    static bool hackedDispatch = false;
  
    if (DisableNonpointerIsa) {
        // Non-pointer isa disabled by environment or app SDK version
        instancesRequireRawIsa = true;
    }
    else if (!hackedDispatch  &&  !(ro->flags & RO_META)  &&  
             0 == strcmp(ro->name, "OS_object")) 
    {
        // hack for libdispatch et al - isa also acts as vtable pointer
        hackedDispatch = true;
        instancesRequireRawIsa = true;
    }
    else if (supercls  &&  supercls->superclass  &&  
             supercls->instancesRequireRawIsa()) 
    {
        // This is also propagated by addSubclass() 
        // but nonpointer isa setup needs it earlier.
        // Special case: instancesRequireRawIsa does not propagate 
        // from root class to root metaclass
        instancesRequireRawIsa = true;
        rawIsaIsInherited = true;
    }
    
    if (instancesRequireRawIsa) {
        cls->setInstancesRequireRawIsa(rawIsaIsInherited);
    }
      // SUPPORT_NONPOINTER_ISA
    #endif
      
      // Update superclass and metaclass in case of remapping
    cls->superclass = supercls;
    cls->initClassIsa(metacls);
  
    // Reconcile instance variable offsets / layout.
    // This may reallocate class_ro_t, updating our ro variable.
    if (supercls  &&  !isMeta) reconcileInstanceVariables(cls, supercls, ro);
  
    // Set fastInstanceSize if it wasn't set already.
    cls->setInstanceSize(ro->instanceSize);
  
    // Copy some flags from ro to rw
    if (ro->flags & RO_HAS_CXX_STRUCTORS) {
        cls->setHasCxxDtor();
        if (! (ro->flags & RO_HAS_CXX_DTOR_ONLY)) {
            cls->setHasCxxCtor();
        }
    }
  
    // Connect this class to its superclass's subclass lists
    if (supercls) {
        addSubclass(supercls, cls);
    } else {
        addRootClass(cls);
    }
  
    // Attach categories
  // 在這個方法中將 rw 的方法列表耳高，屬性列表，協(xié)議列表賦值
    methodizeClass(cls);
  
    return cls;
  };
  

此時所踊，經(jīng)過 Runtime 的作用之后泌枪，現(xiàn)在內(nèi)存中的關(guān)系是，類中的 data 指針指向 class_data_bits_t秕岛， class_data_bits_t 結(jié)構(gòu)體中的 data() 方法獲取到的是 class_rw_t 指針碌燕， class_rw_t 結(jié)構(gòu)體中的 ro 指針指向 class_ro_t。圖如下：

圖片來自一位大神的博客继薛，侵權(quán)刪

• 但是問題來了修壕，類的方法是如何被查找和調(diào)用的呢？由于我們已經(jīng)知道了遏考，在 ObjC 中慈鸠，實際上類也是一個特殊的對象，查找類的方法實際上就和查找實例方法采用同樣的機制灌具，但是如何才能讓他們采用同樣的機制呢青团？這時譬巫，元類的作用就顯現(xiàn)了出來。

  • metaClass 保證了類中也有一個指向 Class 類型的指針督笆，保證了類和對象的一致性芦昔，保證了類查找方法的機制與對象查找方法的機制保持同步。
    • 當實例方法調(diào)用時娃肿，通過對象的 isa 在類中獲取方法的實現(xiàn)
    • 當類方法調(diào)用時咕缎，通過類的 isa 在元類中獲取方法的實現(xiàn)

現(xiàn)在，我們的重點終于到了料扰， isa 到底是什么凭豪？

• 我們在 Runtime 的源碼中可以看到,在不同的處理器上，這個共同體所分配的內(nèi)存位數(shù)是不同的记罚。

  union isa_t 
  {
      isa_t() { }
      isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
  
      Class cls;
      uintptr_t bits;
  
  #if SUPPORT_PACKED_ISA
  
      // extra_rc must be the MSB-most field (so it matches carry/overflow flags)
      // nonpointer must be the LSB (fixme or get rid of it)
      // shiftcls must occupy the same bits that a real class pointer would
      // bits + RC_ONE is equivalent to extra_rc + 1
      // RC_HALF is the high bit of extra_rc (i.e. half of its range)
  
      // future expansion:
      // uintptr_t fast_rr : 1;     // no r/r overrides
      // uintptr_t lock : 2;        // lock for atomic property, @synch
      // uintptr_t extraBytes : 1;  // allocated with extra bytes
  
  # 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)
      };
  
  # elif __x86_64__
  #   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
  #   define ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000000001ULL
  #   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
      struct {
          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;
  #       define RC_ONE   (1ULL<<56)
  #       define RC_HALF  (1ULL<<7)
      };
  };
  

  以 x86_64_ 為例墅诡，
  

  圖片來自一位大神的博客，侵權(quán)刪

• 更深一步桐智，從 isa 的初始化來看 isa 的結(jié)構(gòu)

  inline void 
  objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
  {
      initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
  }
  
  inline void 
  objc_object::initIsa(Class cls, bool indexed, bool hasCxxDtor) 
  { 
      if (!indexed) {
          isa.cls = cls;
      } else {
          isa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
          isa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
          isa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
      }
  }
  
  // 由于對象的 isa 初始化時傳入 indexed 為 true 末早，所以，可簡化為
  inline void 
  objc_object::initIsa(Class cls, bool indexed, bool hasCxxDtor) 
  { 
    // 其中 ISA_MAGIC_VALUE 為 0x000001a000000001ULL
          isa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
          isa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
          isa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
  }
  

  • 此時说庭，當執(zhí)行完 isa.bits = ISA_MAGIC_VALUE; 后 isa 的結(jié)構(gòu)為 然磷，可以看到 ISA_MAGIC_VALUE 將 magic 和 indexed 都初始化了

    image

  • 接著 isa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor; 這一位會設(shè)置 has_cxx_dtor 的值，如果是 1刊驴， 則表示當前對象是否有析構(gòu)器姿搜，如果沒有，就會快速釋放

  • 最后捆憎， isa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3; 將當前對象對應(yīng)的類指針賦值給 shiftcls 這些位舅柜，之所以向右移三位，移三位的主要原因是用于將 Class 指針中無用的后三位清楚減小內(nèi)存的消耗躲惰，因為類的指針要按照字節(jié)（8 bits）對齊內(nèi)存致份，其指針后三位都是沒有意義的 0。賦值之后如下

![image](http://upload-images.jianshu.io/upload_images/3262069-f3a02c34c16975e6?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)

至此础拨，也就證明了我們之前對于初始化 `isa` 時對 `initIsa` 方法的分析是正確的氮块。它設(shè)置了 `indexed`、`magic` 以及 `shiftcls`诡宗。

獲取 isa

• 由于我們現(xiàn)在使用了結(jié)構(gòu)體 isa_t 來替代 Class 類型的指針滔蝉， 所以我們也就需要一個指針能夠返回 isa 所指的類，所以我們此時需要一個 ISA() 方法塔沃。

  inline Class 
  objc_object::ISA() 
  {
      assert(!isTaggedPointer()); 
  #if SUPPORT_INDEXED_ISA
      if (isa.nonpointer) {
          uintptr_t slot = isa.indexcls;
          return classForIndex((unsigned)slot);
      }
      return (Class)isa.bits;
  #else
      return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
  #endif
  }
  
  // 簡化后如下
  inline Class 
  objc_object::ISA() 
  {
      assert(!isTaggedPointer());
    // 由此可以看到蝠引，實際上 ISA() 返回的是 isa.bits 與 0x0000000ffffffff8ULL 進行的按位與操作，確實可以返回當前的類
      return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
  }
  

總結(jié)

• 至此，此次源碼分析的第一部分也就此結(jié)束立肘，如果您發(fā)現(xiàn)了什么問題和不足歡迎與我探討和指教边坤。

參考資料

• apple源碼
• ObjC對象的前世今生
• ObjC消息機制名扛，代碼背后發(fā)生的事