iOS底層原理(三) isa分析

以下源碼分析基于 objc4-781

對象的`isa`初始化

在 +[NSObject alloc] 流程分析中淋硝，我們最終找到了對象創(chuàng)建的方法

static ALWAYS_INLINE id
_class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone,
                              int construct_flags = OBJECT_CONSTRUCT_NONE,
                              bool cxxConstruct = true,
                              size_t *outAllocatedSize = nil)
{
    ASSERT(cls->isRealized());

    // Read class's info bits all at once for performance
    bool hasCxxCtor = cxxConstruct && cls->hasCxxCtor();
    bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
    bool fast = cls->canAllocNonpointer();
    size_t size;

    size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

    id obj;
    if (zone) {
        obj = (id)malloc_zone_calloc((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
    } else {
        obj = (id)calloc(1, size);
    }
    if (slowpath(!obj)) {
        if (construct_flags & OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC) {
            return _objc_callBadAllocHandler(cls);
        }
        return nil;
    }

    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);
    }

    if (fastpath(!hasCxxCtor)) {
        return obj;
    }

    construct_flags |= OBJECT_CONSTRUCT_FREE_ONFAILURE;
    return object_cxxConstructFromClass(obj, cls, construct_flags);
}

在上面的方法中主要做了3件事：

size = cls->instanceSize(extraBytes) 計(jì)算對象占用內(nèi)存的大小鳄抒。
obj = (id)calloc(1, size) 創(chuàng)建對象。
obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor) 初始化對象的 isa 谓谦。

`id` 類型

調(diào)用 calloc 方法將結(jié)果強(qiáng)轉(zhuǎn)成 id 類型芽世，在源碼中我們可以看到 id 類型的定義

// 定義在 Public Headers/objc.h
/// Represents an instance of a class.
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa  OBJC_ISA_AVAILABILITY;
};

// 定義在 Project Headers/objc-private.h 中 line 82
struct objc_object {
    isa_t isa;
}

/// A pointer to an instance of a class.
typedef struct objc_object *id;

我們可以在源碼中找到2個版本的 struct objc_object 定義今魔，一個在 Public Headers 目錄下私恬，另一個在 Project Headers 前者是暴露給開發(fā)者的，后者是內(nèi)部使用的柜裸，所以 id 類型本質(zhì)就是一個結(jié)構(gòu)體指針，struct objc_object 只有一個成員變量 isa_t isa掷漱。

調(diào)用 calloc 方法粘室，只是從系統(tǒng)中申請了一片內(nèi)存空間，這個時(shí)候這塊內(nèi)存空間中沒有任何內(nèi)容卜范，通過 obj->initInstanceIsa 初始化對象中的 isa。

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

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

在 initInstanceIsa 方法中調(diào)用了 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);
    } else {
        ASSERT(!DisableNonpointerIsa);
        ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());

        isa_t newisa(0);
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
        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
        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;
    }
}

在 intiIsa 方法中鹿榜，主要就是對 isa 進(jìn)行初始化海雪。

`isa_t` 分析


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
};

`union` 聯(lián)合體

我們發(fā)現(xiàn) isa_t 是一個聯(lián)合體，它和結(jié)構(gòu)體有什么區(qū)別舱殿？

結(jié)構(gòu)體

結(jié)構(gòu)體是把不同的數(shù)據(jù)組合成一個整體奥裸，其變量是共存的，無論變量使用與否沪袭，都會分配內(nèi)存湾宙。

結(jié)構(gòu)體占用內(nèi)存為其所有成員占用內(nèi)存的總和。

優(yōu)點(diǎn)：存儲容量較大冈绊，包容性強(qiáng)侠鳄，成員之間不會互相影響。
缺點(diǎn)：所有屬性都會分配內(nèi)存死宣。

聯(lián)合體

聯(lián)合體也是由不同的數(shù)據(jù)類型組成的伟恶，但是其變量是互斥的，所有的成員占用同一段內(nèi)存毅该。而聯(lián)合體采用了內(nèi)存覆蓋技術(shù)博秫，同一時(shí)刻只能保存一個成員的值，如果對新的成員變量賦值眶掌，就會將原來的成員賦值挡育。

聯(lián)合體占用內(nèi)存為其最大成員占用的內(nèi)存。

優(yōu)點(diǎn)：所有成員共用一段內(nèi)存朴爬，使內(nèi)存的使用更為精細(xì)靈活即寒，同事也節(jié)省了內(nèi)存空間。
缺點(diǎn)：包容性弱寝殴。

在 union isa_t 結(jié)構(gòu)中蒿叠，有三個成員 Class cls uintptr_t bits 和 struct { ISA_BITFIELD; } 他們占用內(nèi)存大小都是 8bytes，因此整個聯(lián)合體占用內(nèi)存 8bytes蚣常。

其中 struct { ISA_BITFIELD; } 是一個位域市咽，用來描述當(dāng)聯(lián)合體的值是 bits 是每一位所代表的意義

image.png

ISA_BITFIELD 是一段宏，展開后如上圖抵蚊。他有兩個版本施绎， __arm64__ 表示真機(jī)上位域的信息溯革， __x86_64__ 表示模擬器上的位域信息。

nonpointer

用來標(biāo)識 isa 是不是一個單純的 Class 指針

0：isa 儲存一個 Class 指針地址谷醉。
1: isa 不僅包含了 Class 指針地址致稀，還儲存了一下其他的信息。

has_assoc

用來標(biāo)識是不是又關(guān)聯(lián)對象

0：沒有關(guān)聯(lián)對象
1：存在關(guān)聯(lián)對象

has_cxx_dtor

標(biāo)識對象有沒有析構(gòu)器俱尼，如果沒有析構(gòu)函數(shù)抖单，可以更快的釋放

0：沒有析構(gòu)器
1：存在析構(gòu)器

shiftclx

用來儲存指針地址，在真機(jī)環(huán)境中最大的指針地址為 0x1000000000遇八，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制為 1 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000, 長度為37位矛绘，且指針地址為8字節(jié)內(nèi)存對齊，由于內(nèi)存對齊的原因?qū)嶋H上 0x1000000000 也不是有效的地址刃永，低三位都為0货矮，所以指針的實(shí)際有效位數(shù)為33位。同樣的在模擬器中最大的指針地址為 0x7fffffe00000 對應(yīng)二進(jìn)制47位斯够，除去低三位囚玫，有效的指針位數(shù)為44位。

magic

用于調(diào)試器判斷當(dāng)前對象是真正的對象读规，還是沒有初始化的空間抓督。

weakly_refrenced

表示對象是否指向或者曾經(jīng)指向一個ARC的弱引用變量。

deallocating

表示對象是否正在被釋放掖桦。

has_sidetable_rc

判斷該對象的引用對象是否過大本昏，如果過大則需要其他散列表來進(jìn)行存儲。

extra_rc

存放該對象的引用計(jì)數(shù)減1后的結(jié)果枪汪，如果引用計(jì)數(shù)超過1涌穆，會存在這個里面，如果引用計(jì)數(shù)為10雀久，extra_rc 的值就為9宿稀。