isa底層結構分析

一贮聂、對象的本質

main.m文件

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

@interface FXPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end

@implementation FXPerson
@end

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

首先橙弱，我們使用終端先跳轉到把main.m的根目錄圣贸，把main.m文件使用clang編譯命令轉為cpp文件宝当，會得到下面main.cpp文件

clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

main.cpp文件

typedef struct objc_object FXPerson;
typedef struct {} _objc_exc_FXPerson;
#endif

extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_FXPerson$_name;
struct FXPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_name;
};

從main.cpp文件中我們可以看到對象的本質其實都是結構體腮恩。而結構體當中的struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS其實對應的就是我們的isa指針侯嘀。

二彤灶、聯(lián)合體惰许、位域

@interface FXCar : NSObject

@property (nonatomic, assign) BOOL front;
@property (nonatomic, assign) BOOL back;
@property (nonatomic, assign) BOOL left;
@property (nonatomic, assign) BOOL right;

// 對象 - 屬性
// 1*4 = 4字節(jié)*8位 = 32位 浪費

- (void)setFront:(BOOL)isFront;  // 存儲 : 1字節(jié) = 8位 0000 1111  char + 位域  bit 結構體
- (BOOL)isFront;

- (void)setBack:(BOOL)isBack;
- (BOOL)isBack;

@end

假設我們一個對象(FXCar)里面有4個屬性(front倔监、back直砂、left、right)浩习，每個BOOL屬性占1個字節(jié)静暂，4個屬性就占4個字節(jié)（32位數(shù)據）。其實只需要一個字節(jié)后面4位的內容就可以存儲這4個屬性谱秽。

結構體（struct）中所有變量是“共存”的

優(yōu)點: “有容乃大”洽蛀、全面；
缺點: struct內存空間的分配是粗放的疟赊，不管用不用郊供，全分配。

聯(lián)合體（union）中是各變量是“互斥”的

優(yōu)點: 內存使用更為精細靈活近哟，也節(jié)省了內存空間;
缺點: 就是不夠“包容”驮审。

蘋果也針對于這種現(xiàn)象做了一些優(yōu)化，采用聯(lián)合體吉执、位域的方式來節(jié)省內存以存儲更多內容疯淫。

@interface FXCar(){
    // 聯(lián)合體
    union {
        char bits;
        // 位域
        struct { // 0000 1111
            char front  : 1;
            char back   : 1;
            char left   : 1;
            char right  : 1;
        };
    } _direction;
}
@end

三、isa結構信息

在alloc流程分析中我們針對alloc進行源碼調試過程中戳玫，我們會走到obj->initInstanceIsa這個方法熙掺，我們按照obj->initInstanceIsa->initIsa -> isa_t流程可以分別看到下面幾個方法

obj->initInstanceIsa

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

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

obj->initInstanceIsa方法中的initIsa方法

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;
    }
}

從initIsa方法中，我們可以看到isa = isa_t((uintptr_t)cls);咕宿，isa的數(shù)據結構其實為 isa_t币绩，然后我們再進入isa_t看一下蜡秽。
isa_t源碼

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
};

通過上述源碼發(fā)現(xiàn)isa_t是一個union（共用體/聯(lián)合體）
其中 ISA_BITFIELD 宏定義在不同架構下表示如下 :

# if __arm64__
#   define ISA_BITFIELD                                                      \
      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
# elif __x86_64__
#   define ISA_BITFIELD                                                        \
      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

首先看到isa_t是一個聯(lián)合體的數(shù)據結構 , 聯(lián)合體意味著公用內存 , 也就是說isa其實總共還是占用 8 個字節(jié)內存 , 共 64 個二進制位。

而上述不同架構的宏定義中定義的位域就是 64 個二進制位中 , 每個位置存儲的是什么內容类浪。

由于聯(lián)合體的特性 ,cls,bits以及struct都是 8 字節(jié)內存 , 也就是說他們在內存中是完全重疊的载城。

實際上在runtime中，任何對struct的操作和獲取某些值费就，如extra_rc诉瓦，實際上都是通過對bits做位運算實現(xiàn)的。

bits和struct的關系可以看做 : bits向外提供了操作struct的接口力细，而struct本身則說明了bits中各個二進制位的定義睬澡。

參照arm64架構下 ,ISA_BITFIELD我們來看看每個字段都存儲了什么內容 , 以便更深刻的理解對象的本質。

成員	位	含義
nonpointer	1bit	表示是否對 isa 指針開啟指針優(yōu)化眠蚂。 0：純 isa 指針煞聪；1：不止是類對象地址。isa 中包含了類信息逝慧、對象的引用計數(shù)等
has_assoc	1bit	標志位: 表明對象是否有關聯(lián)對象昔脯。0：沒有；1：存在笛臣。沒有關聯(lián)對象的對象釋放的更快
has_cxx_dtor	1bit	標志位：表明對象是否有C++或ARC析構函數(shù)云稚。沒有析構函數(shù)的對象釋放的更快
shiftcls	33bit	存儲類指針的值。開啟指針優(yōu)化的情況下沈堡，在 arm64 架構中有 33 位用來存儲類指針静陈。
magic	6bit	用于調試器判斷當前對象是真的對象還是沒有初始化的空間 , 固定為 0x1a
weakly_referenced	1bit	標志位：用于表示該對象是否被別ARC對象弱引用或者引用過。沒有被弱引用的對象釋放的更快
deallocating	1bit	標志位：用于表示該對象是否正在被釋放
has_sidetable_rc	1bit	標志位：用于標識是否當前的引用計數(shù)過大 ( 大于 10 ) 诞丽，無法在 isa 中存儲鲸拥，則需要借用sidetable來存儲，標志是否有外掛的散列表
extra_rc	19bit	實際上是對象的引用計數(shù)減 1 . 比如僧免，一個 object 對象的引用計數(shù)為7刑赶，則此時 extra_rc 的值為 6

四、isa關聯(lián)類

在上面的initIsa方法中懂衩，isa初始化方法中會有如下賦值角撞，我們也可以斷點調試 newisa 的值
isa初始化方法

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;

newisa 的值

(lldb) p newisa
(isa_t) $2 = {
  cls = 0x001d800000000001
 ··
   = {
    nonpointer = 1
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 0
    shiftcls = 0
    magic = 59
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}

isa初始化方法當中的宏 ISA_MAGIC_VALUE（ULL表示unsign long long類型）

#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL

我們可以用計算器看一下isa當中的 cls = 0x001d800000000001 信息，

計算器查看cls信息.png

cls的十進制信息.png

我們可以看到從47位開始有一個111011勃痴，然后我們再打印一下 isa當中的 magic = 59 信息谒所，使用計算器打印一下59的二進制信息，我們會發(fā)現(xiàn)也是11101沛申。然后我們再看一下cls = 0x001d800000000001 信息的十進制信息劣领，發(fā)現(xiàn)就等于 bits = 8303511812964353 ，這也就說明了cls,bits以及struct都是 8 字節(jié)內存 , 也就是說他們在內存中是完全重疊的铁材。

然后我們把斷點調試到下面這行代碼執(zhí)行完畢

newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;

我們 (uintptr_t)cls 右移3位尖淘，可以打印如下信息

(lldb) p (uintptr_t)cls
(uintptr_t) $4 = 4294976104
(lldb) p $4 >> 3
(uintptr_t) $5 = 536872013
(lldb) p newisa
(isa_t) $6 = {
  cls = FXPerson
  bits = 8303516107940461
   = {
    nonpointer = 1
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 1
    shiftcls = 536872013
    magic = 59
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}

從上面我們可以看到奕锌，shiftcls 存儲類指針的值，并且將類 FXPerson 和 shiftcls = 536872013 關聯(lián)起來了村生。

五惊暴、isa通過位運算驗證關聯(lián)類

我們先將斷點調試到 obj->initInstanceIsa 這個方法之后，然后打印 obj 信息趁桃，通過位運算驗證關聯(lián) FXPerson 信息

位運算驗證關聯(lián)類.png

位運算方法解析：isa結構體信息如下圖所示：

isa結構體信息.png

先將 isa指針 右移 3位 將 isa指針 的右邊 3位 信息抹掉辽话，左邊空出 3位 使用 0 來填充。
將 isa指針 左移 20位 卫病，將 步驟1當中新增的3位 + isa指針的左邊17信息抹掉油啤。
最后將 isa指針 右移 17 位即可恢復 44位shiftcls 的位置信息

(lldb) x/4gx obj
0x103225090: 0x001d800100002275 0x0000000000000000
0x1032250a0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
(lldb) p/x 0x001d800100002275 >> 3
(long) $2 = 0x0003b0002000044e
(lldb) p/x 0x0003b0002000044e << 20
(long) $3 = 0x0002000044e00000
(lldb) p/x 0x0002000044e00000 >> 17
(long) $4 = 0x0000000100002270
(lldb) p/x cls
(Class) $5 = 0x0000000100002270 FXPerson

到此isa位運算關聯(lián)類信息驗證完畢！

六蟀苛、通過 isa & ISA_MSAK可以查看isa指向類信息

arm64 和 x86_64中掩碼 ISA_MASK 定義

# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
...
# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
...

其實一步一步的位運算不免顯得有些繁瑣益咬，蘋果為大家提供了和alloc流程分析中內存對齊一樣的算法，提供一個掩碼執(zhí)行 與操作 (&)帜平，即可得出 isa 指向的類信息幽告。

(lldb) po 0x001d800100002275 & 0x00007ffffffffff8ULL
FXPerson