前言

我們知道類的本質(zhì)是一個對象，對象的本質(zhì)又是一個結(jié)構(gòu)體，不過其中的原因以及類與對象之間的關(guān)聯(lián)，我們好好探究下栖秕。

Clang

介紹對象的本質(zhì)前，由於要看編譯底層的C++文件缓熟，所以我們先來看看一個編譯器:Clang
clang是一個由Apple主導(dǎo)編寫累魔，基於LLVM的C/C++/OC的編譯器

對象的本質(zhì)

興建一個project，定義一個類LGPerson够滑，並在其中定義一個屬性name垦写。

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

@implementation LGPerson
@end

透過終端機(jī)下clang指令:clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

//1、將 main.m 編譯為 main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp

//2彰触、將 ViewController.m 編譯為成  ViewController.cpp
clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot / /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.7.sdk ViewController.m

//以下兩種方式是通過指定架構(gòu)模式的命令行梯投，使用xcode工具 xcrun
//3、模擬器文件編譯
- xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp 

//4况毅、真機(jī)文件編譯
- xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp

即生成了.cpp的c++文件

我們打開這個文件分蓖，並且搜尋我們定義的類(LGPerson)，可以看到是一個(struct)結(jié)構(gòu)體

//LGPerson的聲明
@interface LGPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end
//LGPerson的實(shí)現(xiàn)
@implementation LGPerson
@end

//經(jīng)由clang編譯為C++尔许，可以看到類對象本質(zhì)是一個結(jié)構(gòu)體
extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_LGPerson$_name;
struct LGPerson_IMPL {
//LGPerson中的第一個屬性NSObject_IVARS等效於NSObject中的isa
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;//等效于 Class isa;
    NSString *_name;
};

struct LGPerson_IMPL 的第一個屬性么鹤，就是isa，偽繼承自NSObject 味廊，偽繼承為直接將NSObject結(jié)構(gòu)體定義為LGPerson中的第一個屬性蒸甜，意味著LGPerson擁有NSObject中的所有成員變量。

編譯後的@prorerty屬性

我們知道@property會執(zhí)行三件事
生成一個私有屬性,屬性類型和@property類型一致,屬性的名稱和@property的名稱一致,屬性的名稱自動加一個下滑線余佛。
生成這個屬性的getter setter方法的聲明
生成這個屬性的getter setter方法的實(shí)現(xiàn)
- setter的實(shí)現(xiàn):直接將參數(shù)的值賦值給自動生成的私有屬性柠新。
- getter的實(shí)現(xiàn):直接返回生成的私有屬性的值。
透過編譯,可以看到@prorerty透過編譯器辉巡，將聲明的屬性恨憎，轉(zhuǎn)為set方法及get方法

static NSString * _I_LGPerson_name(LGPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_LGPerson$_name)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);

static void _I_LGPerson_setName_(LGPerson * self, SEL _cmd, NSString *name) { objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct LGPerson, _name), (id)name, 0, 1); }

而所有的@prorerty轉(zhuǎn)成的set方法都會走到objc_setProperty這個方法，真正的實(shí)現(xiàn)則是在reallySetProperty 這個方法裡面
我們可以透過源碼編譯郊楣，查看objc_setProperty→reallySetProperty

所有的set方法也都做了對新值retain對舊值進(jìn)行release憔恳，也等於這部分的底層進(jìn)行了一層接口的封裝瓤荔。

補(bǔ)充:為何isa是class類型?

我們透過源碼逐步探索:alloc->_objc_rootAlloc->callAlloc->_objc_rootAllocWithZone->_class_createInstanceFromZone->initInstanceIsa->isa_t->Class ISA()
NSObject定義中isa的類型是Class，其根本原因是由于isa對外反饋的是類信息钥组，為了讓開發(fā)人員更加明確茉贡，需要在isa返回時做一個類型強(qiáng)制轉(zhuǎn)換,類似於swift中的 as 的強(qiáng)轉(zhuǎn)。源碼中isa的強(qiáng)轉(zhuǎn)如下圖所示者铜。

總結(jié)

objc_setProperty 為一個接口腔丧，將傳入的set方法，及reallySetProperty 的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)
接口隔離層的目的為作烟，當(dāng)傳入的方法有很多時愉粤，如果沒有接口隔離層，就會產(chǎn)生許多臨時變量拿撩，查找sel時也較不方便衣厘。
於是乎蘋果提供了適配器模式 (將底層接口適配為客戶端所需的接口)，對上層傳入提供一個街口压恒，對下層調(diào)用底層的set方法影暴，使上下層不相互影響，達(dá)到接口隔離的目的探赫。

cls與isa的關(guān)聯(lián)原理

在alloc&init源碼分析與內(nèi)存對其原理中型宙，提到了alloc的核心三步，那麼到底initInstanceIsa是如何將cls與isa關(guān)聯(lián)的伦吠？
在此之前妆兑，我們必須先瞭解聯(lián)合體，為什麼isa的類型isa_t是使用聯(lián)合體定義

結(jié)構(gòu)體(struct) vs 聯(lián)合體(union)

union （共用體）：構(gòu)造數(shù)據(jù)類型,也叫聯(lián)合體

用途：使幾個不同類型的變量共佔(zhàn)一段內(nèi)存(相互覆蓋)

優(yōu)點(diǎn):節(jié)約內(nèi)存

缺點(diǎn):包容性差
struct ( 結(jié)構(gòu)體 )：是一種構(gòu)造類型

用途：把不同的數(shù)據(jù)組合成一個整體——自定義數(shù)據(jù)類型

優(yōu)點(diǎn):包容性比union好

缺點(diǎn):較union耗費(fèi)內(nèi)存空間
主要區(qū)別：
1. struct和union都是由多個不同的數(shù)據(jù)類型成員組成, 但在任何同一時刻, union中只存放了一個被選中的成員; 而struct的所有成員都存在毛仪。在struct中搁嗓，各成員都佔(zhàn)有自己的內(nèi)存空間，它們是同時存在的,一個struct變量的總長度等於所有成員長度之和箱靴，遵從字節(jié)對齊原則; 在Union中腺逛，所有成員不能同時佔(zhàn)用它的內(nèi)存空間，它們不能同時存在 , Union變量的長度等於最長的成員的長度衡怀。
2. 對於union的不同成員賦值, 將會對其它成員重寫, 原來成員的值就不存在了,所以棍矛，共同體變量中起作用的成員是最後一次存放的成員; 而對於struct的不同成員賦值是互不影響的。
isa的類型isa_t
通過initInstanceIsa探索可以找到isa指針的類型isa_t的定義狈癞，從定義中可以看出是通過聯(lián)合體（union）定義的茄靠。

    union isa_t {
        isa_t() { }
        isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
    //cls與bits兩者互斥茂契，即只有一個會存在
        Class cls;
        uintptr_t bits;
    #if defined(ISA_BITFIELD)
        struct {
            ISA_BITFIELD;  // defined in isa.h
        };
    #endif
    };

isa_t類型使用聯(lián)合體的原因也是基於內(nèi)存優(yōu)化的考慮蝶桶，這裡的內(nèi)存優(yōu)化是指在isa指針中通過char + 位域（即二進(jìn)制中每一位均可表示不同的信息）的原理實(shí)現(xiàn)。通常來說掉冶，isa指針佔(zhàn)用的內(nèi)存大小是8字節(jié)真竖，即64位脐雪，已經(jīng)足夠存儲很多的信息了，這樣可以極大的節(jié)省內(nèi)存恢共，以提高性能战秋，這樣的isa指針稱為nopointer_isa且大部分自定義的類都是nopointer_isa

從isa_t的定義中可以看出：

提供了兩個成員，cls和bits讨韭，由聯(lián)合體的定義所知脂信，這兩個成員是互斥的，也就意味著透硝，當(dāng)初始化isa指針時狰闪，有兩種初始化方式
- 通過cls初始化，bits無默認(rèn)值
- 通過bits初始化濒生，cls有默認(rèn)值
還提供了一個結(jié)構(gòu)體定義的位域埋泵，用於存儲類信息及其他信息，結(jié)構(gòu)體的成員ISA_BITFIELD罪治，這是一個宏定義丽声，有兩個版本__arm64__（對應(yīng)ios移動端）和__x86_64__（對應(yīng)macOS），以下是它們的一些宏定義觉义，如下圖所示

原理探索

透過alloc --> _objc_rootAlloc --> callAlloc --> _objc_rootAllocWithZone --> _class_createInstanceFromZone方法路徑雁社，查找到initInstanceIsa，並進(jìn)入其原理實(shí)現(xiàn)

此方法主要分為兩部分
1:透過cls初始化isa
2:通過bits初始化isa

證明指針位域

首先通過main中的LGPerson斷點(diǎn)--> initInstanceIsa--> initIsa-->走到else中的isa初始化
- 執(zhí)行l(wèi)ldb指令: p newisa

點(diǎn)擊stepOver走到bits賦值後晒骇，再輸入一次p newisa 比對newisa信息歧胁。

通過與前一個newsize的信息對比，發(fā)現(xiàn)isa指針中有一些變化厉碟，如下圖所示

為何magic為59?

isa與類關(guān)聯(lián)

cls與isa關(guān)聯(lián)原理就是isa指針中的shiftcls位域中儲存了類信息喊巍，其中initInstanceIsa的過程是將calloc指針和當(dāng)前的類cls 關(guān)聯(lián)起來，有以下幾種驗(yàn)證方式:
- 驗(yàn)證方式一：通過initIsa方法中的newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;驗(yàn)證
- 驗(yàn)證方式二：通過isa指針地址與ISA_MSAK的值&來驗(yàn)證
- 驗(yàn)證方式三：通過runtime的方法object_getClass驗(yàn)證
- 驗(yàn)證方式四：通過位運(yùn)算驗(yàn)證

驗(yàn)證方式一：initIsa

運(yùn)行至newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;前一步箍鼓，其中shiftcls存儲當(dāng)前類的值信息

此時查看cls崭参，是LGPerson類
shiftcls賦值的邏輯是將LGPerson進(jìn)行編碼後，右移3位

執(zhí)行l(wèi)ldb命令p (uintptr_t)cls款咖，結(jié)果為(uintptr_t) $2 = 4294975896,再右移三位何暮，有以下兩種方式（任選其一），將得到536871987存儲到newisa的shiftcls中

p (uintptr_t)cls >> 3
通過上一步的結(jié)果$0 = 4294975896铐殃，執(zhí)行l(wèi)ldb命令p $0 >> 3

在執(zhí)行到isa = newisa;部分海洼，此時lldb執(zhí)行p newisa 打印newisa 的信息

驗(yàn)證方式二：通過isa & ISA_MSAK

在方式一後，繼續(xù)執(zhí)行富腊，回到_class_createInstanceFromZone方法坏逢，此時cls 與 isa已經(jīng)關(guān)聯(lián)完成，執(zhí)行po objc

執(zhí)行x/4gx obj,得到isa指針的地址0x001d80010000219d

將isa指針地址& ISA_MASK（處於macOS，使用x86_64中的宏定義）是整，

即po 0x001d80010000219d & 0x00007ffffffffff8ULL肖揣，得出LGPerson

而ISA_MASK就是進(jìn)行了左移右移。

驗(yàn)證方式三：通過object_getClass

通過查看object_getClass的源碼實(shí)現(xiàn)浮入，同樣可以驗(yàn)證isa與類關(guān)聯(lián)的原理龙优，有以下幾步：

main中導(dǎo)入#import <objc/runtime.h>
通過runtime的api，即object_getClass函數(shù)獲取類信息

查看object_getClass函數(shù)源碼的實(shí)現(xiàn)

點(diǎn)擊進(jìn)入object_getClass底層實(shí)現(xiàn)

進(jìn)入getIsa的源碼實(shí)現(xiàn)

點(diǎn)擊ISA()事秀，進(jìn)入源碼彤断，可以看到如果是indexed類型，執(zhí)行if流程易迹，反之執(zhí)行的是else流程

在else流程中瓦糟，拿到isa的bits這個位，再& ISA_MASK赴蝇，這與方式二中的原理是一致的菩浙，獲得當(dāng)前的類信息
從這裡也可以得出 cls 與 isa 已經(jīng)關(guān)聯(lián)

方式四：通過位運(yùn)算

回到_class_createInstanceFromZone方法。通過x/4gx obj得到obj的存儲信息句伶，當(dāng)前類的信息存儲在isa指針中劲蜻，且isa中的shiftcls此時佔(zhàn)44位（因?yàn)樘庫?code>macOS環(huán)境）

想要讀取中間的44位類信息，就需要經(jīng)過位運(yùn)算考余，將右邊3位先嬉，和左邊除去44位以外的部分都抹零，其相對位置是不變的楚堤。其位運(yùn)算過程如圖所示疫蔓，其中shiftcls即為需要讀取的類信息
將isa地址
- 右移3位：p/x 0x001d80010000219d >> 3，得到0x0003b00020000433
- 將得到的0x0003b00020000433<<左移20位：p/x 0x0003b0002000041d << 20,得到0x0002000043300000
- 為什麼是左移20位身冬？因?yàn)橄?code>右移了3位衅胀，相當(dāng)於向右偏移了3位，而左邊需要抹零的位數(shù)有17位酥筝，所以一共需要移動20位
- 得到的0x0002000043300000再右移17位：p/x 0x0002000043300000 >> 17得到新的0x0000000100002198獲取cls的地址與上面的進(jìn)行驗(yàn)證：p/x cls也得出0x00000001000020e8滚躯，所以由此可以證明cls與isa是關(guān)聯(lián)的

isa與類的關(guān)係