前言

我們都知道對(duì)象由類(lèi)實(shí)例化而來(lái)，在上一篇《OC底層系列二》-對(duì)象中恨诱，我們知道對(duì)象是一個(gè)objc_object類(lèi)型的結(jié)構(gòu)體斩萌，類(lèi)是一個(gè)objc_class類(lèi)型的結(jié)構(gòu)體抹沪，今天我們從底層來(lái)探究對(duì)象和類(lèi)是如何建立關(guān)聯(lián)纵菌。

目錄

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0、簡(jiǎn)介

• 本文主要探索OC對(duì)象和類(lèi)之間如何建立關(guān)聯(lián)玄柠，并進(jìn)行驗(yàn)證突梦。

1、對(duì)象和類(lèi)的定義

• 我們?cè)購(gòu)脑创a角度看看對(duì)象和類(lèi)的定義

typedef struct objc_class *Class; // 類(lèi)的定義
typedef struct objc_object *id;  // 對(duì)象的定義

1.1随闪、objc_object

// objc-private.h

// objc_object 的實(shí)現(xiàn)
struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
以下是一些函數(shù)阳似，省略
...
}

1.2、objc_class

// objc-runtime-new.h

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();
    } 
// objc_class的部分方法代碼省略不貼出來(lái)
}

• 從源碼中我們看到objc_class繼承自objc_object铐伴，說(shuō)明了類(lèi)也是一個(gè)對(duì)象撮奏， objc_class繼承自objc_object，自然也就繼承了objc_object的成員当宴，則objc_class也擁有一個(gè)isa畜吊，由此我們推斷對(duì)象和類(lèi)的關(guān)聯(lián)在于isa。

2户矢、isa

// objc-private.h

// isa_t的定義玲献，一個(gè)聯(lián)合體，值為cls或者bits
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
};

2.1梯浪、isa的初始化

• objc_object中初始化isa方法源碼如下捌年，如下：

// objc_private.h

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:  
···
private:
    void initIsa(Class newCls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor);
···
}

// objc-object.h

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    assert(!isTaggedPointer()); 
    
    if (!nonpointer) {
// 2.1.1
        isa.cls = cls;
    } else {
// 2.1.2
        assert(!DisableNonpointerIsa);
        assert(!cls->instancesRequireRawIsa());

        isa_t newisa(0);

#if SUPPORT_INDEXED_ISA
// 2.1.3
        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
// 2.1.4
        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;
#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;
    }
}

• 通常我們創(chuàng)建的OC對(duì)象都是nonpointer,所以會(huì)執(zhí)行2.1.2，創(chuàng)建一個(gè)isa_t類(lèi)型的newisa并初始化其成員bits為0挂洛。
• SUPPORT_INDEXED_ISA定義如下礼预，根據(jù)注釋?zhuān)浔硎?isa_t 中存放的 Class 表示的是否為Class 的地址，是一個(gè)索引(根據(jù)該索引可在類(lèi)信息表中查找該類(lèi)結(jié)構(gòu)地址)虏劲。

// objc-config.h

// Define SUPPORT_INDEXED_ISA=1 on platforms that store the class in the isa 
// field as an index into a class table.
// Note, keep this in sync with any .s files which also define it.
// Be sure to edit objc-abi.h as well.
#if __ARM_ARCH_7K__ >= 2  ||  (__arm64__ && !__LP64__)
#   define SUPPORT_INDEXED_ISA 1
#else
#   define SUPPORT_INDEXED_ISA 0
#endif

• 我們來(lái)分析一下SUPPORT_INDEXED_ISA宏定義的值托酸，__ARM_ARCH_7K__，從名稱(chēng)上看其表示在 ARM 7k 架構(gòu) CPU 的代碼中的標(biāo)志宏柒巫，我們可以在LLVM 開(kāi)源的ARM.cpp找到其定義：

// ARM.cpp

// Unfortunately, __ARM_ARCH_7K__ is now more of an ABI descriptor. The CPU
// happens to be Cortex-A7 though, so it should still get __ARM_ARCH_7A__.
if (getTriple().isWatchABI())
  Builder.defineMacro("__ARM_ARCH_7K__", "2");

• 通過(guò)注釋和代碼可以知道励堡，這個(gè)值只有在iWatch下才會(huì)被定為2，換句話說(shuō)__ARM_ARCH_7K__代表的是iWatch的宏堡掏。由此可知应结，在iPhone模擬器以及真機(jī)上__ARM_ARCH_7K__值為FALSE。

• __arm64__表示是否采用arm64架構(gòu)泉唁。在模擬器上為FALSE摊趾，真機(jī)上為TRUE币狠。

• __LP64__ 表示在64位機(jī)器上，如果int是32位砾层，long是64位，pointer也是64位贱案，那么該機(jī)器就是__LP64__肛炮。在模擬器上和真機(jī)上__LP64__為TRUE。

• 綜上宝踪，ARM_ARCH_7K >= 2 || (arm64 && !LP64)
  =FALSE || FALSE
  =FALSE
  所以SUPPORT_INDEXED_ISA的值為FALSE侨糟。

• 因此初始化isa方法走的是2.1.4

// 2.1.4
 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;

2.2、shiftcls

shiftcls的值是isa中cls的值右移三位得到瘩燥，shiftcls存儲(chǔ)類(lèi)指針的值秕重。根據(jù)shiftcls的宏定義，在 x86_64 架構(gòu)有 44位 用來(lái)存儲(chǔ)類(lèi)指針厉膀，arm64 架構(gòu)中有 33位 溶耘。

• 我們?cè)趚86_64（模擬器下）為研究，ISA_BITFIELD定義如下：

  
  
  image.png

• shiftcls的值為二進(jìn)制的3~46位服鹅。

• 我們通過(guò)LLDB驗(yàn)證shitfcls是否存儲(chǔ)著cls信息,添加如下代碼并在NSLog處添加斷點(diǎn)：

#import <Foundation/Foundation.h>
// Animal繼承NSObject凳兵，沒(méi)有添加任何成員
#import "Animal.h"

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        Animal *animal = [Animal alloc];
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

• 在控制臺(tái)使用LLDB如下操作：

  
  
  image.png
• x/4gx 打印對(duì)象anmial的內(nèi)存信息，以16進(jìn)制格式打印4個(gè)8字節(jié)企软。其第一個(gè)8字節(jié)為isa庐扫。
• p/t animal 將[animal class]的值以二進(jìn)制格式輸出。

格式化二進(jìn)制如下：
// [animal class]
$0 = 0b 0000 0000 0000 0000 00   00 0000 0000 0001 0000 0000 0000 0000 0010 0000 1111 0   000
// isa
$2 = 0b 0000 0000 0001 1101 10   00 0000 0000 0001 0000 0000 0000 0000 0010 0000 1111 0   001

• 對(duì)上面打印結(jié)果格式化可以看到仗哨，[animal class]的3~46位和isa的3~46位位是一樣的形庭，驗(yàn)證了對(duì)象的關(guān)于類(lèi)的信息是存在在isa中的shiftcls中。

3厌漂、[object class]方法分析

• [animal class]中class的底層實(shí)現(xiàn)：

\\ objc-object.h
inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
// 3.1
    if (isa.nonpointer) {
        uintptr_t slot = isa.indexcls;
        return classForIndex((unsigned)slot);
    }
    return (Class)isa.bits;
#else
// 3.2
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
#endif
}

• SUPPORT_INDEXED_ISA值為FALSE萨醒，所以走//3.2，返回(Class)(isa.bits & ISA_MASK);

// isa.h

define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL

4桩卵、通過(guò)LLDB驗(yàn)證對(duì)象和類(lèi)如何關(guān)聯(lián)

• 我們根據(jù)isa.bits & ISA_MASK使用LLDB進(jìn)行驗(yàn)證验靡，繼續(xù)如下操作
  

  image.png

• $3即ISA_MASK的二進(jìn)制表示，$6即(isa.bits &ISA_MASK)的結(jié)果雏节，最后我們d打印$6的描述為Animal,驗(yàn)證完畢胜嗓。

5、總結(jié)

• 對(duì)象的類(lèi)信息存儲(chǔ)在其isa中的的shiftcls中钩乍，對(duì)象和類(lèi)的通過(guò)對(duì)象中的ias的shiftcls進(jìn)行關(guān)聯(lián)辞州，class方法本質(zhì)上返回的是isa的shiftcls，其底層實(shí)現(xiàn)通過(guò)isa.bit& ISA_MASK獲取到shiftcls的值寥粹。
• 我們可以理解為類(lèi)實(shí)例化的對(duì)象的isa指向該類(lèi)变过。

6埃元、TODO

• OC對(duì)象的isa(其位域成員shiftcls)中的存著類(lèi)的信息，OC類(lèi)也是一個(gè)對(duì)象媚狰，那么OC類(lèi)的isa(其位域成員shiftcls)存儲(chǔ)著什么呢岛杀？
• 源碼中objc-class有一個(gè)superclass，我們可以推測(cè)superclass代表當(dāng)前類(lèi)的父類(lèi)崭孤，Animal的superclass應(yīng)該為NSObject類(lèi)类嗤，那么NSObjec類(lèi)的superclass是什么？
• 這些我會(huì)在下一篇文章中繼續(xù)探究辨宠。