Runtime系列文章

Runtime原理探究（一）—— isa的深入體會(huì)（蘋果對(duì)isa的優(yōu)化）
Runtime原理探究（二）—— Class結(jié)構(gòu)的深入分析
Runtime原理探究（三）—— OC Class的方法緩存cache_t
Runtime原理探究（四）—— 刨根問底消息機(jī)制
Runtime原理探究（五）—— super的本質(zhì)
[Runtime原理探究（六）—— Runtime的應(yīng)用...待續(xù)]-()
[Runtime原理探究（七）—— Runtime的API...待續(xù)]-()
Runtime原理探究（八）—— 面試題中的Runtime

????本文篇幅比較長(zhǎng)哟绊，創(chuàng)作的目的并不是為了在簡(jiǎn)書上刷贊和閱讀量椿胯，而是為了自己日后溫習(xí)知識(shí)所用硼砰。如果有幸被你發(fā)現(xiàn)這篇文章，并且引起了你的閱讀興趣顶掉，請(qǐng)休息充分，靜下心來，精力充足地開始閱讀幽邓，希望這篇文章能對(duì)你有所幫助拐揭。如發(fā)現(xiàn)任何有誤之處撤蟆，肯請(qǐng)留言糾正，謝謝堂污。????

如何理解Objective-C的動(dòng)態(tài)特性家肯？

很多靜態(tài)編程語言，編寫完代碼后盟猖，經(jīng)過編譯連接生成可執(zhí)行文件讨衣，最后就可以在電腦上運(yùn)行起來。

以C語言為例

void test() {
    printf("Hello World");
}
int main() {
    test();
}

以上代碼經(jīng)過編譯之后式镐，main函數(shù)里面就一定會(huì)調(diào)用test()反镇，而test()的實(shí)現(xiàn)也一定會(huì)是和代碼中寫的一樣，這些在編譯完成那一刻就決定了娘汞，運(yùn)行過程中不會(huì)發(fā)生改變的歹茶。C可以說就是典型的靜態(tài)語言。

與之相比，Objective-C就可以在運(yùn)行階段修改之前編譯階段確定好的一些函數(shù)和方法辆亏。

************************main.m*************************
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "CLPerson.h"

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
        [person test];
    }
    return 0;
}

***********************CLPerson.h************************
#import <Foundation/Foundation.h>
@interface CLPerson : NSObject
- (void)test;
@end


***********************CLPerson.m************************
#import "CLPerson.h"
@implementation CLPerson
- (void)test {
    NSLog(@"%s", __func__);
}

- (void)abc {
    
}
@end

如上面所示代碼风秤，[person test];這句代碼，在運(yùn)行階段扮叨，可以調(diào)用CLPerson的test方法缤弦，也可以通過OC的動(dòng)態(tài)特性，使其最終調(diào)用別的方法彻磁，例如abc方法碍沐，甚至，還可以調(diào)用另外一個(gè)類的方法衷蜓。除此之外累提，OC還可以在程序運(yùn)行階段，給類增加方法等磁浇，這就是所謂的動(dòng)態(tài)特性斋陪。

Runtime簡(jiǎn)介

• Objective-C是一門動(dòng)態(tài)性比較強(qiáng)的編程語言，根C置吓、C++等語言有很大不同
• Objective-C的動(dòng)態(tài)性是由Runtime API來支撐的
• Runtime API提供的接口基本都是C語言的无虚，源碼由C/C++/匯編語言編寫

isa詳解

深入Runtime之前，先要解決一個(gè)比較重要的概念——isa衍锚。在早期的Runtime里面友题，isa指針直接指向class/meta-class對(duì)象的地址，isa就是一個(gè)普通的指針戴质。

后來度宦，蘋果從ARM64位架構(gòu)開始，對(duì)isa進(jìn)行了優(yōu)化告匠，將其定義成一個(gè)共用體（union）結(jié)構(gòu)戈抄，結(jié)合 位域 的概念以及 位運(yùn)算 的方式來存儲(chǔ)更多類相關(guān)信息。isa指針需要通過與一個(gè)叫ISA_MASK的值（掩碼）進(jìn)行二進(jìn)制&運(yùn)算后专，才能得到真實(shí)的class/meta-class對(duì)象的地址呛凶。接下來，就具體探究一下蘋果究竟是怎么優(yōu)化的行贪。

首先從源碼角度漾稀，對(duì)比一下變化isa優(yōu)化前后的變化

***************************************
typedef struct objc_class *Class;

typedef struct objc_object {
    Class isa;
} *id;

上面是64位之前，objc_object的定義如上建瘫，isa直接指向objc_class崭捍。

再看看優(yōu)化后objc_object的定義

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:

arm64開始，isa的類型變成了isa_t啰脚，這是什么鬼殷蛇？這個(gè)就是接下來討論的重點(diǎn)实夹，先看一下它的源碼

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

    Class cls;
    uintptr_t bits;

#if SUPPORT_PACKED_ISA

   

# 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)
    };

# else
#   error unknown architecture for packed isa
# endif

// SUPPORT_PACKED_ISA
#endif


#if SUPPORT_INDEXED_ISA

# if  __ARM_ARCH_7K__ >= 2

#   define ISA_INDEX_IS_NPI      1
#   define ISA_INDEX_MASK        0x0001FFFC
#   define ISA_INDEX_SHIFT       2
#   define ISA_INDEX_BITS        15
#   define ISA_INDEX_COUNT       (1 << ISA_INDEX_BITS)
#   define ISA_INDEX_MAGIC_MASK  0x001E0001
#   define ISA_INDEX_MAGIC_VALUE 0x001C0001
    struct {
        uintptr_t nonpointer        : 1;
        uintptr_t has_assoc         : 1;
        uintptr_t indexcls          : 15;
        uintptr_t magic             : 4;
        uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;
        uintptr_t weakly_referenced : 1;
        uintptr_t deallocating      : 1;
        uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;
        uintptr_t extra_rc          : 7;
#       define RC_ONE   (1ULL<<25)
#       define RC_HALF  (1ULL<<6)
    };

# else
#   error unknown architecture for indexed isa
# endif

// SUPPORT_INDEXED_ISA
#endif

};

上面的代碼就是蘋果對(duì)于isa優(yōu)化的精華所在，為了看懂上面的代碼粒梦，首先需要從一些基礎(chǔ)知識(shí)開始說亮航。

場(chǎng)景需求分析

首先定義一個(gè)類CLPerson，首先給CLPerson增加幾個(gè)屬性以及成員變量

@interface CLPerson : NSObject
{
    BOOL _tall;
    BOOL _rich;
    BOOL _handsome;
}
@property (nonatomic, assign, getter=isRich) BOOL rich;
@property (nonatomic, assign, getter=isTall) BOOL tall;
@property (nonatomic, assign, getter=isHandsome) BOOL handsome;

對(duì)于它們的使用匀们，無需多說缴淋，如下

#import <Foundation/Foundation.h>
#import "CLPerson.h"
#import <objc/runtime.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
        person.rich = YES;
        person.tall = NO;
        person.handsome = YES;


        NSLog(@"%zu", class_getInstanceSize([CLPerson class]));
    }
    return 0;
}

通過runtime，我們可以查看到CLPerson類對(duì)象的內(nèi)存占用情況

2019-07-16 13:15:04.083828+0800 OC底層Runtime[2509:80387] 16
Program ended with exit code: 0

通過我之前對(duì)與對(duì)象內(nèi)存布局的分析的文章泄朴，這里可以得出如下結(jié)論：

• isa占用了8個(gè)字節(jié)
• _rich重抖、_tall、_handsome這三個(gè)成員變量個(gè)占用1個(gè)字節(jié)
• 因?yàn)橛袃?nèi)存對(duì)齊和bucketSized的因素祖灰，所以類對(duì)象占用16個(gè)字節(jié)的內(nèi)存空間钟沛。

??????但是_rich、_tall局扶、_handsome實(shí)際上只可能有2個(gè)值恨统，YES/NO，也就是0和1三妈，它們完全可以用一個(gè)二進(jìn)制位來表示延欠，三個(gè)加在一起也就只需要占用3個(gè)二進(jìn)制位，連半個(gè)字節(jié)都用不了沈跨。有什么方法可以實(shí)現(xiàn)這種節(jié)約內(nèi)存的需求呢？??????

如果直接用屬性的話兔综，肯定就會(huì)自動(dòng)生成帶下劃線的成員變量饿凛，這樣就無法精簡(jiǎn)內(nèi)存。所以需要手動(dòng)實(shí)現(xiàn)getter/setter方法以替代屬性软驰。

#import <Foundation/Foundation.h>
@interface CLPerson : NSObject

- (void)setTall:(BOOL)tall;
- (void)setRich:(BOOL)rich;
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome;

- (BOOL)isTall;
- (BOOL)isRich;
- (BOOL)isHandsome;
@end

然后在.m文件里面涧窒，用一個(gè)char _tallRichHandsome;（一個(gè)字節(jié)）來存儲(chǔ)tall/rich/handsome的信息。

#import "CLPerson.h"
@interface CLPerson()
{
    char _tallRichHandsome; // 0b 0000 0000
}

@end

@implementation CLPerson

- (void)setTall:(BOOL)tall {
    
}
- (void)setRich:(BOOL)rich {
    
}
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome {
    
}

- (BOOL)isTall {
   
}
- (BOOL)isRich {
   
}
- (BOOL)isHandsome {
    
}

@end

如果我想利用_tallRichHandsome的后三位來分別存放tall锭亏、rich纠吴、handsome這三個(gè)信息，有什么方法可以辦到呢慧瘤？

取值

首先我們來解決getter方法戴已，也就是取值問題。如何從特定的位里面取出值呢锅减？沒錯(cuò)糖儡，——&（按位與運(yùn)算）。

假設(shè)我們規(guī)定

• tall用_tallRichHandsome的右起第1位表示怔匣，
• rich用_tallRichHandsome的右起第2位表示握联，
• handsome用_tallRichHandsome的右起第3位表示，
• 并且tall=YES，rich=NO金闽， handsome=YES纯露，
  那么_tallRichHandsome的值應(yīng)該是 0000 0101

根據(jù)&運(yùn)算的特點(diǎn)，想要取出特定位上面的值代芜，只需將mask碼中對(duì)應(yīng)位設(shè)置為1埠褪，因?yàn)?原來值 & 1 = 原來值，將mask碼中其他位的設(shè)置為0蜒犯，就可以屏蔽出特定位之外其余位上面的值组橄，因?yàn)?原來值 & 0 = 0，這個(gè)應(yīng)該很好理解罚随。至于取出來的值如何轉(zhuǎn)化成我們所需要的值（在這里我們需要的是YES/NO）蝌借，就有很多辦法了。好了怠益，現(xiàn)在去代碼里面實(shí)現(xiàn)一下霜幼。如下所示

*************************main.m*****************************
#import <Foundation/Foundation.h>
#import "CLPerson.h"

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
        NSLog(@"tall-%d, rich-%d, handsome%d", person.isTall, person.isRich, person.isHandsome);
    }
    return 0;
}

*************************CLPerson.m*****************************

#import "CLPerson.h"
@interface CLPerson()
{
    char _tallRichHandsome;
}

@end

@implementation CLPerson

- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        _tallRichHandsome = 0b00000101;//設(shè)定一個(gè)初值
    }
    return self;
}


/*
 mask碼
 tall的mask碼：二進(jìn)制 0b 00000001 ---> 十進(jìn)制 1
 rich的mask碼：二進(jìn)制 0b 00000010 ---> 十進(jìn)制 2
 handsome的mask碼：二進(jìn)制 0b 00000100 ---> 十進(jìn)制 4
 */

- (BOOL)isTall {
    return !!(_tallRichHandsome & 1);
}
- (BOOL)isRich {
    return !!(_tallRichHandsome & 2);
}
- (BOOL)isHandsome {
    return !!(_tallRichHandsome & 4);
}
@end

**************************運(yùn)行結(jié)果**************************
2019-07-16 17:54:32.915636+0800 OC底層Runtime[2828:156639] 
tall = 1, 
rich = 0, 
handsome = 1
Program ended with exit code: 0

上面的解決方案里面，我是通過!!(_tallRichHandsome & mask值);來轉(zhuǎn)換成BOOL值的潮改，因?yàn)?code>_tallRichHandsome & mask值得出的結(jié)果狭郑，要么是0，要么是一個(gè)大于0的整數(shù)汇在，因此通過兩次!運(yùn)算翰萨，可以得到對(duì)應(yīng)的BOOL值，0對(duì)應(yīng)NO糕殉，大于0的數(shù)對(duì)應(yīng)YES亩鬼。

mask碼的值可以用二進(jìn)制表示，也可以用十進(jìn)制表示阿蝶，但是在具體的使用中雳锋，需要大量注釋代碼說明mask碼所代表的含義，因此更好的處理方法羡洁，可以將它們定義為宏玷过，通過宏的名字來表述所需要的含義。改寫如下：

#define CLTallMask 1
#define CLRichMask 2
#define CLHandsomeMask 4

- (BOOL)isTall {
    return !!(_tallRichHandsome & CLTallMask);
}
- (BOOL)isRich {
    return !!(_tallRichHandsome & CLRichMask);
}
- (BOOL)isHandsome {
    return !!(_tallRichHandsome & CLHandsomeMask);
}

但是還有一個(gè)問題筑煮，從宏定義里面辛蚊，我們不容易看出到底mask碼是要取出哪一位的值，所以真仲，改成二進(jìn)制表示更好嚼隘，如下

#define CLTallMask 0b00000001
#define CLRichMask 0b00000010
#define CLHandsomeMask 0b00000100

但是仍然不完美，做開發(fā)的哪個(gè)沒有點(diǎn)強(qiáng)迫癥袒餐，寫這么一大串二進(jìn)制飞蛹，太麻煩了谤狡，所以我們有更犀利的方法，沒錯(cuò)卧檐，通過位移運(yùn)算符來表示墓懂，如下

#define CLTallMask (1 << 0) 
#define CLRichMask (1 << 1)
#define CLHandsomeMask (1 << 2)

1代表0b00000001，也就是二進(jìn)制的1霉囚，1 << 0表示左移0位捕仔，也就是不移動(dòng)，那么就代表去右邊最低位上的值盈罐，同理榜跌，1 << 1， 1<< 2就分別表示取右起第二位和第三位上的值盅粪，這樣就清晰易懂了钓葫。

為什么叫MASK？
剛接觸編程的時(shí)候票顾，我曾經(jīng)很困惑础浮，用來獲取特定位上的內(nèi)容的這一串二進(jìn)制碼為什么在英文里叫mask，這個(gè)mask為什么要翻譯成掩碼?不知道大家有沒有困惑過奠骄。后來想著想著豆同，突然開竅了了，這個(gè)mask是用來拿到特定位上的值含鳞，也就是查看你想要看到的部位影锈。mask這個(gè)單詞的含義里面有 面具 的意思，面具總知道吧蝉绷，就下面這個(gè)

面具上的幾個(gè)洞鸭廷，分別是眼睛和嘴，因?yàn)槟闳⒓用婢遬arty的時(shí)候潜必，只想讓人看見眼鏡和嘴巴，其他地方都遮掩起來沃但。我們?cè)谔囟ㄎ簧厦娴娜≈荡殴觯皇歉@個(gè)一樣嗎，因此老外給這個(gè)東西取名叫mask碼宵晚，其實(shí)就是為了形象生動(dòng)垂攘，根本不是啥高大上的東西。只不過中文翻譯我個(gè)人覺得太生硬了淤刃，翻譯成 面具碼 豈不是更好晒他。小感慨一下，英文技術(shù)文檔里面有挺多這種翻譯過來很奇怪的名詞逸贾，其實(shí)就是文化差異陨仅，老外從他們的文化角度去給一些概念進(jìn)行了生動(dòng)形象的命名津滞，但到了我們這邊的確是翻譯的慘不忍睹，簡(jiǎn)直就是量產(chǎn)羅玉鳳白粕恕４バ臁！所以學(xué)好英文還是很重要的狐赡，有些翻譯真是害死人撞鹉。

設(shè)值

接下來看一看如何把外部設(shè)定的值保存到對(duì)應(yīng)的位上面去，而且不能影響到其他位上面的值颖侄。
（1）設(shè)值為1鸟雏。正好按位或運(yùn)算（|）就能實(shí)現(xiàn)這里的要求。來回顧一下或運(yùn)算的規(guī)則

• 0 | 0 = 0
• 0 | 1 = 1
• 1 | 0 = 1
• 1 | 1 = 1

因此根據(jù)上面的特點(diǎn)览祖，跟mask碼進(jìn)行或運(yùn)算（｜）就可以將特定值設(shè)置到目標(biāo)位中孝鹊。因?yàn)?code>mask碼中，對(duì)應(yīng)目標(biāo)位的就是1穴墅，對(duì)應(yīng)非目標(biāo)位的就是0惶室。

（2）設(shè)值為0。上面還介紹了通過按位與運(yùn)算（&）取值玄货，結(jié)合這里的需求皇钞，可以發(fā)現(xiàn)，只需要將mask碼按位取反之后松捉，在與目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行與運(yùn)算（&）夹界，便可以將指定位設(shè)置為0。
對(duì)飲實(shí)現(xiàn)代碼如下

#import "CLPerson.h"
#define CLTallMask (1 << 0)
#define CLRichMask (1 << 1)
#define CLHandsomeMask (1 << 2)


@interface CLPerson()
{
    char _tallRichHandsome;
}

@end

@implementation CLPerson

- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
        _tallRichHandsome = 0b00000101;
    }
    return self;
}

//取值操作
- (BOOL)isTall {
    return !!(_tallRichHandsome & CLTallMask);
}
- (BOOL)isRich {
    return !!(_tallRichHandsome & CLRichMask);
}
- (BOOL)isHandsome {
    return !!(_tallRichHandsome & CLHandsomeMask);
}

//設(shè)定值操作
- (void)setTall:(BOOL)tall {
    if(tall) {
        _tallRichHandsome |= CLTallMask;
    } else {
        _tallRichHandsome &= ~CLTallMask;
    }
}
- (void)setRich:(BOOL)rich {
    if(rich) {
        _tallRichHandsome |= CLRichMask;
    } else {
        _tallRichHandsome &= ~CLRichMask;
    }
}
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome {
    if(handsome) {
        _tallRichHandsome |= CLHandsomeMask;
    } else {
        _tallRichHandsome &= ~CLHandsomeMask;
    }
}

@end

調(diào)用及打印結(jié)果

int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
        
        person.rich = YES;
        person.tall = YES;
        person.handsome = YES;
        
        NSLog(@"\ntall = %d, \nrich = %d, \nhandsome = %d", person.isTall, person.isRich, person.isHandsome);
        
    }
    return 0;
}
***********************************************
2019-08-02 11:36:49.081651+0800 OC底層Runtime[1147:65497] 
tall = 1, 
rich = 1, 
handsome = 1
Program ended with exit code: 0

可以看到設(shè)定成功隘世。通過以上的嘗試可柿，就將原本需要3個(gè)字節(jié)來表示的信息，存儲(chǔ)到了一個(gè)字節(jié)里面丙者，以達(dá)到節(jié)省空間的目的复斥。

位域

上面的篇幅，我們通過｜和&兩種位運(yùn)算械媒，實(shí)現(xiàn)節(jié)約內(nèi)存的目標(biāo)目锭，請(qǐng)思考一下，這樣是否完美了呢纷捞？
細(xì)細(xì)分析一下痢虹，會(huì)發(fā)現(xiàn)有如下不足：

• 后期的維護(hù)時(shí)，假如我們有需要新增一個(gè)新的屬性主儡，那么就需要 增加一個(gè)對(duì)應(yīng)的mask碼奖唯，增加對(duì)應(yīng)的set方法， 增加對(duì)應(yīng)的getter方法糜值，還是相對(duì)麻煩的丰捷，而且代碼體積也會(huì)迅速增加坯墨。
• 我們通過char _tallRichHandsome;表達(dá)了三個(gè)信息——tall、rich瓢阴、handsome畅蹂，如果需要表示10個(gè)信息，可想而知這里的命名會(huì)非常長(zhǎng)荣恐，顯然擴(kuò)展性和可讀性都非常差液斜。

現(xiàn)在來看一下下面這段代碼

@interface CLPerson()
{
    struct {
        char tall : 1;
        char rich : 1;
        char handsome : 1;
        
    }_tallRichHandsome;
    
//    char _tallRichHandsome;
}

@end

代碼中，使用結(jié)構(gòu)體struct取代之前的char _tallRichHandsome叠穆，結(jié)構(gòu)體內(nèi)有三個(gè)成員——tall少漆、rich、handsome硼被。每個(gè)成員后面的: 1代表這個(gè)成員占用1個(gè)位示损。成員前面的類型關(guān)鍵字不產(chǎn)生實(shí)際作用，只不過定義變量的語法規(guī)定需要有類型關(guān)鍵字嚷硫，這里為了統(tǒng)一都寫成char检访，成員實(shí)際占用內(nèi)存的大小由后面的這個(gè): X來表示，X就表示占用的位數(shù)仔掸。這個(gè)就是位域脆贵，關(guān)于這個(gè)概念的具體內(nèi)容，可以自行查看C語言相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)起暮。因?yàn)?code>struct作為一個(gè)整體單元卖氨，分配內(nèi)存的最小單位是一個(gè)字節(jié)，那么tall负懦、rich筒捺、handsome這三個(gè)成員會(huì)按照先后定義的順序，在這一個(gè)字節(jié)的8位空間里面纸厉，從右至左排布系吭。

******************************CLPerson.m*************************************
@implementation CLPerson

- (BOOL)isTall {
    return _tallRichHandsome.tall;
}
- (BOOL)isRich {
    return _tallRichHandsome.rich;
}
- (BOOL)isHandsome {
    return _tallRichHandsome.handsome;
}

- (void)setTall:(BOOL)tall {
    _tallRichHandsome.tall = tall;
}
- (void)setRich:(BOOL)rich {
    _tallRichHandsome.rich = rich;
}
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome {
    _tallRichHandsome.handsome = handsome;
}

@end

******************************main.m*************************************
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
        person.tall = NO;
        person.rich = YES;
        person.handsome = NO;
        
        NSLog(@"\ntall = %d, \nrich = %d, \nhandsome = %d", person.isTall, person.isRich, person.isHandsome);
                
    }
    return 0;
}
******************************打印輸出*************************************
2019-08-02 14:53:31.980516+0800 OC底層Runtime[1333:126711] 
tall = 0, 
rich = -1, 
handsome = 0
Program ended with exit code: 0

從上面的輸出結(jié)果可以看出颗品，貌似getter/setter像是生效了肯尺，但是好像rich有點(diǎn)問題，設(shè)置成YES抛猫，最后打印出來了是-1蟆盹，應(yīng)該是1才符合預(yù)期的孩灯，這個(gè)問題先不管后面來解決闺金，我們可以加一個(gè)斷點(diǎn)，開看一下結(jié)構(gòu)體_tallRichHandsome情況

lldb) p/x person->_tallRichHandsome
((anonymous struct)) $0 = (tall = 0x00, rich = 0x01, handsome = 0x00)
(lldb) 

結(jié)果很清晰的顯示了峰档，三個(gè)成員tall败匹、rich寨昙、handsome的值確實(shí)是被正確設(shè)置了。
此外掀亩，還可以通過直接查看_tallRichHandsome的內(nèi)存中的情況舔哪，來說明結(jié)果。
首先通過下面命令拿到_tallRichHandsome的內(nèi)存地址

(lldb) p/x &(person->_tallRichHandsome)
((anonymous struct) *) $1 = 0x00000001033025c8

然后通過命令查看該地址所對(duì)應(yīng)內(nèi)存的情況

(lldb) x 0x00000001033025c8
0x1033025c8: 02 00 00 00 00 00 00 00 41 f0 2f 96 ff ff 1d 00  ........A./.....
0x1033025d8: 80 12 00 00 01 00 00 00 06 00 05 00 05 00 00 00  ................

這個(gè)結(jié)果怎么看呢槽棍，首先要知道捉蚤，這種打印方式，是按照16進(jìn)制來顯示的炼七，那么每2個(gè)數(shù)字就代表一個(gè)字節(jié)缆巧，上面我們說了_tallRichHandsome實(shí)際占用1個(gè)字節(jié)大小，所以它對(duì)應(yīng)的值應(yīng)該是打印結(jié)果中的最開始的2個(gè)數(shù)字 02豌拙，而這個(gè)值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制是0000 0010陕悬，三個(gè)成員tall、rich按傅、handsome在其中對(duì)應(yīng)的位上的值分別是0捉超、1、0唯绍，這樣就和我們的設(shè)定吻合了拼岳，證明了我們的getter/setter方法生效了。

回到上面我們遺留的問題推捐，為什么被設(shè)置成YES的成員裂问，內(nèi)存里面驗(yàn)證了沒有問題，為何最終被打印出來的卻是-1呢牛柒？原因在于堪簿，getter方法中返回值的時(shí)候，做了一次強(qiáng)制轉(zhuǎn)換皮壁。如何理解呢

- (BOOL)isRich {
    BOOL ret = _tallRichHandsome.rich;
    return ret;
}

通過lldb打印ret的內(nèi)存結(jié)果如下

(lldb) p/x &ret
(BOOL *) $0 = 0x00007ffeefbff42f 255
(lldb) x 0x00007ffeefbff42f
0x7ffeefbff42f: ff bc 9e a9 7b ff 7f 00 00 70 e4 80 01 01 00 00  ....{....p......
0x7ffeefbff43f: 00 80 f4 bf ef fe 7f 00 00 95 0c 00 00 01 00 00  ................
(lldb) 

可以看到ret內(nèi)存里面是ff蛾魄，也就是二進(jìn)制的11111111虑瀑，確實(shí)如我們上面所說，結(jié)果在強(qiáng)轉(zhuǎn)是有這個(gè)問題滴须，

實(shí)際上舌狗，在轉(zhuǎn)換的時(shí)候，是根據(jù)對(duì)象值的最左邊位上的值進(jìn)行補(bǔ)值填充操作的扔水，因?yàn)镹O對(duì)應(yīng)的是0痛侍，一位二進(jìn)制的0轉(zhuǎn)換成BOOL，其余位上都補(bǔ)0魔市，所以不會(huì)影響最終結(jié)果主届。

至于這里為什么一個(gè)字節(jié)上的11111111被輸出的時(shí)候顯示-1赵哲，有疑問的話請(qǐng)復(fù)習(xí)一下有符號(hào)數(shù)的表達(dá)方式，這里不做贅述君丁。
對(duì)于當(dāng)前的這個(gè)問題枫夺，解決辦法也不少，我們可以用之前進(jìn)行兩次绘闷！運(yùn)算橡庞，就可以得到1了

- (BOOL)isRich {
        return !!_tallRichHandsome.rich;;
}

或者，可以擴(kuò)充一下成員信息所需要的位數(shù)

@interface CLPerson()
{
    struct {
        char tall : 2;
        char rich : 2;
        char handsome : 2;
        
    }_tallRichHandsome;
    
//    char _tallRichHandsome;
}

@end

這樣印蔗，如果誰需要設(shè)置成YES毙死，因?yàn)檎加昧?位，所以結(jié)果會(huì)是0b01喻鳄，按照補(bǔ)位填充的規(guī)則扼倘，應(yīng)該是0b0000 0001，不會(huì)影響最終值除呵。

小結(jié)：使用上面的優(yōu)化方案再菊，我們精減了getter/setter的代碼實(shí)現(xiàn)，還省去了mask碼颜曾。缺點(diǎn)是在取值的時(shí)候由于存在補(bǔ)位轉(zhuǎn)換纠拔，導(dǎo)致最終取值不夠精準(zhǔn)（第一種方案通過位運(yùn)算取值的方式不存在這個(gè)問題）。

共用體

接下來泛豪，我們來研究一下蘋果采用的優(yōu)化方案稠诲。蘋果實(shí)際上是基于上面第一種方案中的位運(yùn)算方法，結(jié)合聯(lián)合體/共用體(union)這個(gè)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的诡曙。

首先來回顧一下union這個(gè)概念臀叙，

union Person {
    char * name;//占用8個(gè)字節(jié)
    int age; // 占用 4個(gè)字節(jié)
    bool isMale ; //占用1個(gè)字節(jié)
}; //

系統(tǒng)會(huì)為union Person分配8個(gè)字節(jié)空間，它的3個(gè)成員共用這一段8字節(jié)的空間价卤。對(duì)比一下struct的定義

struct Person {
    char * name;//占用8個(gè)字節(jié)
    int age; // 占用 4個(gè)字節(jié)
    bool isMale ; //占用1個(gè)字節(jié)
}; //

根據(jù)內(nèi)存對(duì)其原則劝萤，系統(tǒng)為struct Person分配16字節(jié)內(nèi)存，其3個(gè)成員會(huì)擁有各自獨(dú)立使用的內(nèi)存空間慎璧。
用一張圖來總結(jié)如下

回到關(guān)于蘋果優(yōu)化的問題床嫌，首先看如下代碼

@interface CLPerson()
{
    union {
        char bits;
        
        struct {
            char tall : 1;
            char rich : 1;
            char handsome : 1;
            
        };
    } _tallRichHandsome;
    
}

@end

將_tallRichHandsome定義成一個(gè)union，union中的定義的成員是共享內(nèi)存空間的胸私，按照上面的寫法厌处，我們?cè)趯?shí)際進(jìn)行位運(yùn)算實(shí)現(xiàn)getter/setter的時(shí)候，使用char bits;岁疼，bits就是很多位的意思阔涉，具體要多少位，靠它前面的類型關(guān)鍵字來確定，這里我們需要8位就夠洒敏，所以通過char來定義。因?yàn)橄旅娴?code>struct和char bits;是共享內(nèi)存的疙驾，實(shí)際使用中不會(huì)用到這個(gè)struct凶伙，但是可以借助它來解釋bits里面各個(gè)位所代表的含義，體會(huì)一下它碎。那么getter/setter修改如下

@implementation CLPerson
- (BOOL)isTall {
    return !!(_tallRichHandsome.bits & CLTallMask);
}
- (BOOL)isRich {
    return !!(_tallRichHandsome.bits & CLRichMask);
}
- (BOOL)isHandsome {
    return !!(_tallRichHandsome.bits & CLHandsomeMask);
}

- (void)setTall:(BOOL)tall {
    if(tall) {
        _tallRichHandsome.bits |= CLTallMask;
    } else {
        _tallRichHandsome.bits &= ~CLTallMask;
    }
}
- (void)setRich:(BOOL)rich {
    if(rich) {
        _tallRichHandsome.bits |= CLRichMask;
    } else {
        _tallRichHandsome.bits &= ~CLRichMask;
    }
}
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome {
    if(handsome) {
        _tallRichHandsome.bits |= CLHandsomeMask;
    } else {
        _tallRichHandsome.bits &= ~CLHandsomeMask;
    }
}
@end

*************************main.m***************************
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {

        CLPerson *person = [[CLPerson alloc] init];
        person.tall = NO;
        person.rich = YES;
        person.handsome = NO;

        NSLog(@"\ntall = %d, \nrich = %d, \nhandsome = %d", person.isTall, person.isRich, person.isHandsome);

    }
    return 0;
}
************************輸出結(jié)果**************************
2019-08-02 17:20:07.157392+0800 OC底層Runtime[1673:197854] 
tall = 0, 
rich = 1, 
handsome = 0
Program ended with exit code: 0

可以看到函荣，成功實(shí)現(xiàn)了getter/setter的需求。實(shí)際上和我們第一種方案里面的char _tallRichHandsome的使用是完全相同的扳肛，只不過這里換成了_tallRichHandsome.bits傻挂，不同的是這里我們通過union中的struct來增強(qiáng)代碼的可讀性，其實(shí)用下面的寫法挖息，省略掉struct定義金拒，得到的結(jié)果完全相同

@interface CLPerson()
{
    union {
        char bits;
    } _tallRichHandsome;
    
}

@end

需要注意的是，第一種方案里面套腹，對(duì)于成員信息（tall绪抛、rich、handsome）在內(nèi)存里面的位置电禀，我們是通過結(jié)構(gòu)體來定義的幢码，而蘋果的方案里面，則實(shí)際上依靠mask碼來控制的尖飞，mask碼的位移數(shù)就代表了成員信息的位置症副，而union里面的那個(gè)struct最重要的作用就是解釋說明bits內(nèi)部的成員信息，就是為了增強(qiáng)可讀性政基，就是為了讓人容易看懂贞铣。所以以后在閱讀源碼的時(shí)候再看到這種union，再也不用害怕了沮明，就那么回事咕娄。

蘋果isa優(yōu)化總結(jié)

現(xiàn)在回到開篇的有關(guān)isa的源碼

struct objc_object {
private:
    isa_t isa;

public:

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;

    };

#endif

};

這里，精減掉了一些兼容性代碼珊擂，只保留針對(duì)iOS部分的代碼圣勒，根據(jù)本文研究的一些話題，我們可以將蘋果對(duì)isa的優(yōu)化概括為

通過位運(yùn)算和位域以及聯(lián)合體技術(shù)摧扇，更加充分的利用了isa的內(nèi)存空間圣贸，將對(duì)象的真正的地址存放在了isa內(nèi)存的其中33位上面，其余的31位被用來存放對(duì)象相關(guān)的其他信息扛稽。下面是isa其他位上的作用說明

• nonpointer—— 0吁峻，代表普通指針，存儲(chǔ)著class、meta-class對(duì)象的內(nèi)存地址用含；1矮慕，代表優(yōu)化過，使用位域存儲(chǔ)更多信息
• has_assoc—— 是否設(shè)置過關(guān)聯(lián)對(duì)象啄骇，如果沒有痴鳄，施放時(shí)會(huì)速度更快
• has_cxx_dtor—— 是否有C++的稀構(gòu)函數(shù)，如果沒有缸夹，施放時(shí)會(huì)更快
• shiftcls—— 這個(gè)部分存儲(chǔ)的是真正的Class痪寻、Meta-Class對(duì)象的內(nèi)存地址信息，因此要通過 isa & ISA_MASK才能取出這里33位的值虽惭，得到對(duì)象的真正地址橡类。
• magic—— 用于在調(diào)試的時(shí)候分辨對(duì)象是否完成了初始化
• weekly_referenced—— 是否被弱飲用指針指向過，如果沒有芽唇，釋放時(shí)會(huì)更快
• extra_rc—— 里面存儲(chǔ)的值是 引用計(jì)數(shù) - 1
• deallocating——對(duì)象是否正在被釋放
• has_sidtable_rc——引用計(jì)數(shù)器是否過大無法存儲(chǔ)在isa中顾画，若果是，這里就為1匆笤，引用計(jì)數(shù)就會(huì)被存儲(chǔ)在一個(gè)叫SideTable的類的屬性中亲雪。

為什么上面的has_assoc、has_cxx_dtor疚膊、weekly_referenced會(huì)影響對(duì)象釋放的速度呢义辕？objc源碼里面有答案：對(duì)象在釋放的時(shí)候，會(huì)調(diào)用void *objc_destructInstance(id obj)方法

/***********************************************************************
* objc_destructInstance
* Destroys an instance without freeing memory. 
* Calls C++ destructors.
* Calls ARC ivar cleanup.
* Removes associative references.
* Returns `obj`. Does nothing if `obj` is nil.
**********************************************************************/
void *objc_destructInstance(id obj) 
{
    if (obj) {
        // Read all of the flags at once for performance.
        bool cxx = obj->hasCxxDtor();
        bool assoc = obj->hasAssociatedObjects();

        // This order is important.
        if (cxx) object_cxxDestruct(obj);
        if (assoc) _object_remove_assocations(obj);
        obj->clearDeallocating();
    }

    return obj;
}

從源碼的注釋以及實(shí)現(xiàn)邏輯寓盗，很容易看出灌砖，程序會(huì)

• 根據(jù)obj->hasCxxDtor()來決定是否調(diào)用object_cxxDestruct(obj)進(jìn)行C++析構(gòu)，
• 根據(jù)obj->hasAssociatedObjects()來決定是否調(diào)用_object_remove_assocations(obj)進(jìn)行關(guān)聯(lián)對(duì)象引用的移除傀蚌。

在obj->clearDeallocating();里面

ISA_MASK的細(xì)節(jié)

我在詳解isa&superclass指針中有過如下總結(jié)

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL

上面的ISA_MASK是通過16進(jìn)制表示的，不太方便看箩艺，我們通過科學(xué)計(jì)算器轉(zhuǎn)換一下

#import "ViewController.h"
#import <objc/runtime.h>
#import "CLPerson.h"


@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    
    NSLog(@"ViewController類對(duì)象地址：%p", [ViewController class]);
    NSLog(@"ViewController元類對(duì)象地址：%p", object_getClass([ViewController class]));
    NSLog(@"CLPerson類對(duì)象地址：%p", [CLPerson class]);
    NSLog(@"CLPerson元類對(duì)象地址：%p", object_getClass([CLPerson class]));
    
}
@end

*************************************************************打印輸出

2019-08-05 10:49:42.408303+0800 iOS-Runtime[1276:57991] ViewController類對(duì)象地址：0x103590dc8
2019-08-05 10:49:42.408405+0800 iOS-Runtime[1276:57991] ViewController元類對(duì)象地址：0x103590df0
2019-08-05 10:49:42.408481+0800 iOS-Runtime[1276:57991] CLPerson類對(duì)象地址：0x103590e90
2019-08-05 10:49:42.408565+0800 iOS-Runtime[1276:57991] CLPerson元類對(duì)象地址：0x103590e68
(lldb) 

有關(guān)isa的探討到這里就結(jié)束了。

Runtime系列文章

Runtime原理探究（一）—— isa的深入體會(huì)（蘋果對(duì)isa的優(yōu)化）
Runtime原理探究（二）—— Class結(jié)構(gòu)的深入分析
Runtime原理探究（三）—— OC Class的方法緩存cache_t
Runtime原理探究（四）—— 刨根問底消息機(jī)制
Runtime原理探究（五）—— super的本質(zhì)
[Runtime原理探究（六）—— Runtime的應(yīng)用...待續(xù)]-()
[Runtime原理探究（七）—— Runtime的API...待續(xù)]-()
Runtime原理探究（八）—— 面試題中的Runtime