探索底層原理托享，積累從點(diǎn)滴做起骚烧。大家好，我是Mars闰围。

往期回顧

iOS底層原理探索—OC對象的本質(zhì)
iOS底層原理探索—class的本質(zhì)
iOS底層原理探索—KVO的本質(zhì)
iOS底層原理探索— KVC的本質(zhì)
iOS底層原理探索— Category的本質(zhì)(一)
iOS底層原理探索— Category的本質(zhì)(二)
iOS底層原理探索— 關(guān)聯(lián)對象的本質(zhì)
iOS底層原理探索— block的本質(zhì)(一)
iOS底層原理探索— block的本質(zhì)(二)

今天繼續(xù)帶領(lǐng)大家探索iOS之Runtime的本質(zhì)赃绊。

前言

OC是一門動(dòng)態(tài)性比較強(qiáng)的編程語言，它的動(dòng)態(tài)性是基于Runtime的API羡榴。Runtime在我們的實(shí)際開發(fā)中占據(jù)著重要的地位碧查，在面試過程中也經(jīng)常遇到Runtime相關(guān)的面試題，我們在之前幾期的探索分析時(shí)也經(jīng)常會(huì)到Runtime的底層源碼中查看相關(guān)實(shí)現(xiàn)校仑。Runtime對于iOS開發(fā)者的重要性不言而喻忠售，想要學(xué)習(xí)和掌握Runtime的相關(guān)技術(shù)，就要從Runtime底層的一些常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)入手迄沫。掌握了它的底層結(jié)構(gòu)稻扬，我們學(xué)習(xí)起來也能達(dá)到事半功倍的效果。今天先學(xué)習(xí)isa羊瘩。

isa

我們在iOS底層原理探索—OC對象的本質(zhì)一文中講解OC對象本質(zhì)的時(shí)候提到泰佳，每個(gè)OC對象的底層結(jié)構(gòu)體中都包含一個(gè)isa指針：

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

在arm64架構(gòu)之前，isa僅是一個(gè)指針尘吗，保存著類對象(Class)或元類對象(Meta-Class)的內(nèi)存地址乐纸，在arm64架構(gòu)之后，蘋果對isa進(jìn)行了優(yōu)化摇予，變成了一個(gè)isa_t類型的共用體(union)結(jié)構(gòu)汽绢，同時(shí)使用位域來存儲更多的信息：

isa.h中objc_object部分代碼.png

現(xiàn)在大家可能心存疑問跌宛，什么是共用體？什么是位域积仗？位運(yùn)算又是什么疆拘？不要著急，接下來一一為大家解答寂曹。

1哎迄、位域

位域是指信息在存儲時(shí)，并不需要占用一個(gè)完整的字節(jié)隆圆， 而只需占一個(gè)或幾個(gè)二進(jìn)制位漱挚。例如生活中的電燈開關(guān)，它只有“開”渺氧、“關(guān)”兩種狀態(tài)旨涝，那我們就可以用 1 和 0 來分別代表這兩種狀態(tài)，這樣我們就僅僅用了一個(gè)二進(jìn)制位就保存了開關(guān)的狀態(tài)侣背。這樣一來不僅節(jié)省存儲空間白华，還使處理更加簡便。

2贩耐、位運(yùn)算符

在計(jì)算機(jī)語言中弧腥，除了加、減潮太、乘鸟赫、除等這樣的算術(shù)運(yùn)算符之外還有很多運(yùn)算符，這里只為大家簡單講解一下位運(yùn)算符消别。
位運(yùn)算符用來對二進(jìn)制位進(jìn)行操作抛蚤，當(dāng)然，操作數(shù)只能為整型和字符型數(shù)據(jù)寻狂。C語言中六種位運(yùn)算符： & 按位與岁经、 | 按位或、 ^ 按位異或蛇券、 ~ 非缀壤、 << 左移和 >> 右移。
我們依舊引用上面的電燈開關(guān)論纠亚，只不過現(xiàn)在我們有兩個(gè)開關(guān)塘慕，1代表開，0代表關(guān)蒂胞。

1) 按位與 &

有0出0图呢，全1為1。

按位與.png

2) 按位或 |

有1出1绽媒，全0出0。

按位或.png

在按位或運(yùn)算中免猾，我們可以理解為兩個(gè)開關(guān)是并聯(lián)的是辕，即一個(gè)開關(guān)開，燈就會(huì)亮掸刊。只有當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都是關(guān)的，燈才不會(huì)亮赢乓。

3) 按位異或 ^

相同為0忧侧，不同為1。

按位異或.png

4) 非 ~

非運(yùn)算即取反運(yùn)算牌芋，在二進(jìn)制中 1 變 0 蚓炬，0 變 1。例如110101進(jìn)行非運(yùn)算后為001010躺屁，即1010肯夏。

5) 左移 <<

左移運(yùn)算就是把<<左邊的運(yùn)算數(shù)的各二進(jìn)位全部左移若干位，移動(dòng)的位數(shù)即<<右邊的數(shù)的數(shù)值犀暑，高位丟棄驯击，低位補(bǔ)0。
左移n位就是乘以2的n次方耐亏。例如：a<<4是指把a(bǔ)的各二進(jìn)位向左移動(dòng)4位徊都。如a=00000011(十進(jìn)制3)，左移4位后為00110000(十進(jìn)制48)广辰。

6) 右移 >>

右移運(yùn)算就是把>>左邊的運(yùn)算數(shù)的各二進(jìn)位全部右移若干位暇矫，>>右邊的數(shù)指定移動(dòng)的位數(shù)。例如：設(shè) a=15择吊，a>>2 表示把00001111右移為00000011(十進(jìn)制3)李根。

簡單了解了位運(yùn)算符后，下面為大家介紹位運(yùn)算符的兩種運(yùn)用場景几睛。

位運(yùn)算符的運(yùn)用

1房轿、取值

可以利用按位與 & 運(yùn)算取出指定位的值，具體操作是想取出哪一位的值就將那一位置為1，其它位都為0冀续，然后同原數(shù)據(jù)進(jìn)行按位與計(jì)算琼讽，即可取出特定的位。

例：0000 0011取出倒數(shù)第三位的值

// 想取出倒數(shù)第三位的值洪唐，就將倒數(shù)第三位的值置為1钻蹬，其它位為0，跟原數(shù)據(jù)按位與運(yùn)算
  0000 0011
& 0000 0100
------------
  0000 0000  // 得出按位與運(yùn)算后的結(jié)果凭需，即可拿到原數(shù)據(jù)中倒數(shù)第三位的值為0

上面的例子中问欠，我們從0000 0011中取值，則0000 0011被稱之為源碼粒蜈。進(jìn)行按位與操作設(shè)定的0000 0100稱之為掩碼

2顺献、設(shè)值

可以通過按位或 |運(yùn)算符將某一位的值設(shè)為1或0。具體操作是：
想將某一位的值置為1的話枯怖，那么就將掩碼中對應(yīng)位的值設(shè)為1注整，掩碼其它位為0，將源碼與掩碼進(jìn)行按位或操作即可度硝。

例：將0000 0011倒數(shù)第三位的值改為1

// 改變倒數(shù)第三位的值肿轨，就將掩碼倒數(shù)第三位的值置為1，其它位為0蕊程，跟源碼按位或運(yùn)算
  0000 0011
| 0000 0100
------------
  0000 0111  // 即可將源碼中倒數(shù)第三位的值改為1

想將某一位的值置為0的話椒袍，那么就將掩碼中對應(yīng)位的值設(shè)為0，掩碼其它位為1藻茂，將源碼與掩碼進(jìn)行按位或操作即可驹暑。

例：將0000 0011倒數(shù)第二位的值改為0

// 改變倒數(shù)第二位的值，就將掩碼倒數(shù)第二位的值置為0辨赐，其它位為1优俘，跟源碼按位或運(yùn)算
  0000 0011
| 1111 1101
------------
  0000 0001  // 即可將源碼中倒數(shù)第二位的值改為0

到這里相信大家對位運(yùn)算符有了一定的了解，下面我們通過OC代碼的一個(gè)例子掀序，來將位運(yùn)算符運(yùn)用到實(shí)際代碼開發(fā)中兼吓。

我們聲明一個(gè)Man類，類中有三個(gè)BOOL類型的屬性森枪，分別為tall视搏、rich、handsome县袱，通過這三個(gè)屬性來判斷這個(gè)人是否高富帥浑娜。

Man類.png

Man類對象占據(jù)內(nèi)存.png

我們知道编饺，BOOL值只有兩種情況:0 或 1，占據(jù)一個(gè)字節(jié)的內(nèi)存空間响驴。而一個(gè)字節(jié)的內(nèi)存空間中又有8個(gè)二進(jìn)制位透且，并且二進(jìn)制同樣只有 0 或 1 ，那么我們完全可以使用1個(gè)二進(jìn)制位來表示一個(gè)BOOL值豁鲤。也就是說我們上面聲明的三個(gè)BOOL值最終只使用3個(gè)二進(jìn)制位就可以秽誊，這樣就節(jié)省了內(nèi)存空間。那我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)呢琳骡？

想要實(shí)現(xiàn)三個(gè)BOOL值存放在一個(gè)字節(jié)中锅论，我們可以通過char類型的成員變量來實(shí)現(xiàn)。char類型占一個(gè)字節(jié)內(nèi)存空間楣号，也就是8個(gè)二進(jìn)制位最易。可以使用其中最后三個(gè)二進(jìn)制位來存儲3個(gè)BOOL值炫狱。

當(dāng)然我們不能把char類型寫成屬性藻懒，因?yàn)橐坏懗蓪傩裕到y(tǒng)會(huì)自動(dòng)幫我們添加成員變量毕荐，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)set和get方法束析。

@interface Man()
{
    char _tallRichHandsome;
}

如果我們賦值_tallRichHansome為1艳馒，即0b 0000 0001 憎亚，只使用8個(gè)二進(jìn)制位中的最后3個(gè)分別用0或者1來代表tall、rich弄慰、handsome的值第美。那么此時(shí)tall、rich陆爽、handsome的狀態(tài)為：

char類型含義.png

#define Tall_Mask 0b00000100 //此二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)十進(jìn)制數(shù)為 4
#define Rich_Mask 0b00000010 //此二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)十進(jìn)制數(shù)為 2
#define Handsome_Mask 0b00000001 //此二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)十進(jìn)制數(shù)為 1

通過對位運(yùn)算符的左移 <<和右移 >>的了解，我們可以將上面的代碼優(yōu)化成：

#define Tall_Mask (1<<2) // 0b00000100
#define Rich_Mask (1<<1) // 0b00000010
#define Handsome_Mask (1<<0) // 0b00000001

自定義的set方法如下：

- (void)setTall:(BOOL)tall
{
    if (tall) { // 如果需要將值置為1驴剔，將源碼和掩碼進(jìn)行按位或運(yùn)算
        _tallRichHandsome |= Tall_Mask;
    }else{ // 如果需要將值置為0 // 將源碼和按位取反后的掩碼進(jìn)行按位與運(yùn)算
        _tallRichHandsome &= ~Tall_Mask;
    }
}
- (void)setRich:(BOOL)rich
{
    if (rich) {
        _tallRichHandsome |= Rich_Mask;
    }else{
        _tallRichHandsome &= ~Rich_Mask;
    }
}
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome
{
    if (handsome) {
        _tallRichHandsome |= Handsome_Mask;
    }else{
        _tallRichHandsome &= ~Handsome_Mask;
    }
}

自定義的get方法如下：

- (BOOL)isTall
{
    return !!(_tallRichHandsome & Tall_Mask);
}
- (BOOL)isRich
{
    return !!(_tallRichHandsome & Rich_Mask);
}
- (BOOL)isHandsome
{
    return !!(_tallRichHandsome & Handsome_Mask);
}

此處需要注意的是省古，代碼中!為邏輯運(yùn)算符非，因?yàn)?code>_tallRichHandsome & Tall_Mask代碼執(zhí)行后丧失，返回的肯定是一個(gè)整型數(shù)豺妓，如當(dāng)tall為YES時(shí)，說明二進(jìn)制數(shù)為0b 0000 0100，對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為4琳拭，那么進(jìn)行一次邏輯非運(yùn)算后训堆，!(4)的值為0，對0再進(jìn)行一次邏輯非運(yùn)算!(0)白嘁，結(jié)果就成了1坑鱼，那么正好跟tall為YES對應(yīng)。所以此處進(jìn)行兩次邏輯非運(yùn)算权薯，!!姑躲。

當(dāng)然，還要實(shí)現(xiàn)初始化方法：

- (instancetype)init
{
    if (self = [super init]) {
        _tallRichHandsome = 0b00000100;
    }
    return self;
}

通過測試驗(yàn)證盟蚣，我們完成了取值和賦值：

測試代碼.png

使用結(jié)構(gòu)體位域優(yōu)化代碼

我們上文講到了位域的概念黍析，那么我們就可以使用結(jié)構(gòu)體位域來優(yōu)化一下我們的代碼。這樣就不用再額外聲明上面代碼中的掩碼部分屎开。位域聲明的格式是位域名 : 位域長度阐枣。
在使用位域的過程中需要注意以下幾點(diǎn)：

1.如果一個(gè)字節(jié)所剩空間不夠存放另一位域時(shí)奄抽，應(yīng)從下一單元起存放該位域蔼两。
2.位域的長度不能大于數(shù)據(jù)類型本身的長度，比如int類型就不能超過32位二進(jìn)位逞度。
3.位域可以無位域名额划，這時(shí)它只用來作填充或調(diào)整位置。無名的位域是不能使用的档泽。

使用位域優(yōu)化以后：

使用位域優(yōu)化后的代碼.png

優(yōu)化后測試.png

使用共用體優(yōu)化代碼

我們可以使用比較高效的位運(yùn)算來進(jìn)行賦值和取值阿逃，使用union共用體來對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。這樣不僅可以增加讀取效率赃蛛，還可以增強(qiáng)代碼可讀性恃锉。

#define Tall_Mask (1<<2) // 0b00000100
#define Rich_Mask (1<<1) // 0b00000010
#define Handsome_Mask (1<<0) // 0b00000001

@interface Man()
{
    union {
        char bits;
       // 結(jié)構(gòu)體僅僅是為了增強(qiáng)代碼可讀性
        struct {
            char tall : 1;
            char rich : 1;
            char handsome : 1;
        };
    }_tallRichHandsome;
}
@end

@implementation Man

- (void)setTall:(BOOL)tall
{
    if (tall) {
        _tallRichHandsome.bits |= Tall_Mask;
    }else{
        _tallRichHandsome.bits &= ~Tall_Mask;
    }
}
- (void)setRich:(BOOL)rich
{
    if (rich) {
        _tallRichHandsome.bits |= Rich_Mask;
    }else{
        _tallRichHandsome.bits &= ~Rich_Mask;
    }
}
- (void)setHandsome:(BOOL)handsome
{
    if (handsome) {
        _tallRichHandsome.bits |= Handsome_Mask;
    }else{
        _tallRichHandsome.bits &= ~Handsome_Mask;
    }
}
- (BOOL)isTall
{
    return !!(_tallRichHandsome.bits & Tall_Mask);
}
- (BOOL)isRich
{
    return !!(_tallRichHandsome.bits & Rich_Mask);
}
- (BOOL)isHandsome
{
    return !!(_tallRichHandsome.bits & Handsome_Mask);
}

其中_tallRichHandsome共用體只占用一個(gè)字節(jié)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)體中tall呕臂、rich破托、handsome都只占一位二進(jìn)制空間，所以結(jié)構(gòu)體只占一個(gè)字節(jié)诵闭，而char類型的bits也只占一個(gè)字節(jié)炼团，他們都在共用體中澎嚣，因此共用一個(gè)字節(jié)的內(nèi)存即可。
而且我們在set瘟芝、get方法中的賦值和取值通過使用掩碼進(jìn)行位運(yùn)算來增加效率易桃，整體邏輯也就很清晰了。

但是锌俱，如果我們在日常開發(fā)中這樣寫代碼的話晤郑，很可能會(huì)被同事打死。雖然代碼已經(jīng)很清晰了贸宏，但是整體閱讀起來很是很吃力的造寝。我們在這里學(xué)習(xí)位運(yùn)算以及共用體這些知識，更多的是為了方便我們閱讀OC底層的代碼吭练。下面我們就回到本文主題诫龙，查看一下isa_t共用體的源碼。

isa_t共用體

isa_t源碼.png

ISA_BITFIELD內(nèi)部源碼.png

ISA_MASK轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制.png

我們繼續(xù)分析一下結(jié)構(gòu)體位域中其他的內(nèi)容代表的含義：

struct {
    // 0代表普通的指針仰税，存儲著類對象构资、元類對象的內(nèi)存地址抽诉。
    // 1代表優(yōu)化后的使用位域存儲更多的信息陨簇。
    uintptr_t nonpointer        : 1; 

   // 是否有設(shè)置過關(guān)聯(lián)對象，如果沒有迹淌，釋放時(shí)會(huì)更快
    uintptr_t has_assoc         : 1;

    // 是否有C++析構(gòu)函數(shù)河绽，如果沒有，釋放時(shí)會(huì)更快
    uintptr_t has_cxx_dtor      : 1;

    // 存儲著類對象唉窃、元類對象對象的內(nèi)存地址信息
    uintptr_t shiftcls          : 33; 

    // 用于在調(diào)試時(shí)分辨對象是否未完成初始化
    uintptr_t magic             : 6;

    // 是否有被弱引用指向過耙饰。
    uintptr_t weakly_referenced : 1;

    // 對象是否正在釋放
    uintptr_t deallocating      : 1;

    // 引用計(jì)數(shù)器是否過大無法存儲在isa中
    // 如果為1，那么引用計(jì)數(shù)會(huì)存儲在一個(gè)叫SideTable的類的屬性中
    uintptr_t has_sidetable_rc  : 1;

    // 里面存儲的值是引用計(jì)數(shù)器減1
    uintptr_t extra_rc          : 19;
};

至此我們已經(jīng)對isa指針有了新的認(rèn)識纹份，__arm64__架構(gòu)之后苟跪，isa指針不單單只存儲了類對象和元類對象的內(nèi)存地址廷痘，而是使用共用體的方式存儲了更多信息，其中shiftcls存儲了類對象和元類對象的內(nèi)存地址件已，需要同ISA_MASK進(jìn)行按位與 &運(yùn)算才可以取出其內(nèi)存地址值笋额。

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iOS進(jìn)階

iOS進(jìn)階.jpg