前言

我們都知道OC是一門面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)語(yǔ)言平委，那么在開(kāi)發(fā)中免不了經(jīng)常會(huì)提起的一個(gè)詞奈虾，就是對(duì)象。我們也經(jīng)常會(huì)說(shuō)萬(wàn)物皆對(duì)象廉赔，說(shuō)到對(duì)象就不得不說(shuō)另外一個(gè)isa肉微，那么對(duì)象的本質(zhì)是什么呢？對(duì)象和isa到底是什么關(guān)系呢蜡塌？接下來(lái)讓我們一起探索碉纳。

一、對(duì)象

我們探索對(duì)象本質(zhì)之前需要先了解一個(gè)編譯器Clang岗照。

Clang

• Clang是?個(gè)由Apple主導(dǎo)編寫(xiě)村象，基于LLVM的C/C++/Objective-C編譯器。
• Clang可以將源文件編譯成.cpp攒至，可執(zhí)行文件厚者。

Clang常用編譯命令：

• 把?標(biāo)?件編譯成c++?件
  -o：輸出
  clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp
• UIKit報(bào)錯(cuò)問(wèn)題
  clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot /
  Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/
  iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.0.sdk main.m
• xcode安裝的時(shí)候順帶安裝了xcrun命令，xcrun命令在clang的基礎(chǔ)上進(jìn)?了?些封裝迫吐，要更好??些
  (模擬器)
  xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp
  (?機(jī))
  xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main?-arm64.cpp

對(duì)象的本質(zhì)

下面我們通過(guò)Clang來(lái)探索對(duì)象的本質(zhì)库菲，實(shí)例代碼如下：

@interface JPerson : NSObject
{
    int age;
    
}
@property (nonatomic, strong) NSString *JCName;
@property (nonatomic, assign) float height;
@end

@implementation JPerson

@end

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

首先cd到我們需要編譯的文件路徑下，然后執(zhí)行clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp命令志膀，生成.cpp的一個(gè)文件熙宇，我們打開(kāi).cpp文件來(lái)分析底層實(shí)現(xiàn)。
全局搜索JPerson類：

#ifndef _REWRITER_typedef_JPerson
#define _REWRITER_typedef_JPerson
typedef struct objc_object JPerson;
typedef struct {} _objc_exc_JPerson;
#endif

extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_JPerson$_JCName;
extern "C" unsigned long OBJC_IVAR_$_JPerson$_height;
struct JPerson_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    int age;
    float _height;
    NSString *_JCName;
};
// @property (nonatomic, strong) NSString *JCName;
// @property (nonatomic, assign) float height;
/* @end */

// @implementation JPerson
static NSString * _I_JPerson_JCName(JPerson * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_JPerson$_JCName)); }
static void _I_JPerson_setJCName_(JPerson * self, SEL _cmd, NSString *JCName) { (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_JPerson$_JCName)) = JCName; }

static float _I_JPerson_height(JPerson * self, SEL _cmd) { return (*(float *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_JPerson$_height)); }
static void _I_JPerson_setHeight_(JPerson * self, SEL _cmd, float height) { (*(float *)((char *)self + OBJC_IVAR_$_JPerson$_height)) = height; }
// @end

從源碼我們可以看出

• JPerson的底層就是結(jié)構(gòu)體JPerson_IMPL溉浙，里面包括我們定義的屬性和成員變量
• JPerson繼承自NSObject烫止，底層是JPerson_IMPL繼承自NSObject_IMPL，屬于偽繼承
• 定義的屬性在底層都統(tǒng)一變成帶_ 的成員變量 戳稽，底層實(shí)現(xiàn)了setter和getter方法馆蠕，
• NSObject_IVARS就是NSObject中的isa指針

擴(kuò)展：

• 為什么底層JPerson是objc_object結(jié)構(gòu)體類型呢？那是因?yàn)樵谏蠈?code>JPerson繼承NSObject，但是NSObject真正的底層實(shí)現(xiàn)是objc_object
• Class是一個(gè)objc_class的結(jié)構(gòu)體指針類型互躬，objc_class是類的底層實(shí)現(xiàn)
• id在底層也是一個(gè)objc_object結(jié)構(gòu)體指針類型播赁，所以可以使用id person的方式修飾，而不需要加*號(hào)

typedef struct objc_object JPerson;
# 對(duì)象的底層實(shí)現(xiàn)
struct objc_object {
    Class _Nonnull isa __attribute__((deprecated));
};

typedef struct objc_object *id;

# NSObject的底層實(shí)現(xiàn)
struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

typedef struct objc_class *Class;
# 類的底層實(shí)現(xiàn)
struct objc_class {
    Class _Nonnull isa __attribute__((deprecated));
} __attribute__((unavailable));

• 屬性的getter方法為什么是通過(guò)(*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$_JPerson$_JCName))去獲取值的呢吼渡？因?yàn)樵谖覀兊亩芽臻g里面是不知道值的具體位置的容为，而是通過(guò)首地址+變量的偏移量去得到相應(yīng)的值

二、NonPointerIsa

首先我們來(lái)看一下結(jié)構(gòu)體位域和聯(lián)合體是什么寺酪？

1. 結(jié)構(gòu)體位域(bit)

我們知道一個(gè)字節(jié)=8位(bit)坎背，有些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并不需要一個(gè)字節(jié)，比如Bool類型的數(shù)據(jù)房维，只有0和1兩種狀態(tài)沼瘫，我們可以用1位來(lái)存儲(chǔ)達(dá)到節(jié)省內(nèi)存空間的作用。下面看一下具體代碼實(shí)現(xiàn)

# 4字節(jié) * 8位(Bit) = 32  0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111
# 只需要4 位
# 1 字節(jié) 3倍浪費(fèi)
struct NormalCar1 {
    BOOL front; // 0 1
    BOOL back;
    BOOL left;
    BOOL right;
};
# 位域
struct BitCar2 {
    BOOL front: 1;      #代表1位咙俩，也可以隨便自定義多少位
    BOOL back : 1;
    BOOL left : 1;
    BOOL right: 1;
};
#二進(jìn)制輸出為: 0000 1111
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        struct NormalCar1 car1;
        struct BitCar2 car2;
        NSLog(@"%ld-%ld",sizeof(car1),sizeof(car2));
    }
    return 0;
}

2021-06-15 22:50:43.793511+0800 001-聯(lián)合體位域[99097:1645306] 4-1

從輸出結(jié)果可以看到耿戚，不用位域的方式輸出是4個(gè)字節(jié)，而位域的方式只需要1個(gè)字節(jié)阿趁。這就是差別

2. 聯(lián)合體(union)

# 共存
struct NormalTeacher {
    char        *name;
    int         age;
    double      height ;
};
# 聯(lián)合體  互斥
union UnionTeacher {
    char        *name;
    int         age;
    double      height ;
};
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        struct NormalTeacher   teacher1;
        teacher1.name = "CC";
        teacher1.age  = 18;

        union UnionTeacher    teacher2;
        teacher2.name = "CC";
        teacher2.age  = 18;

        NSLog(@"%ld-%ld",sizeof(teacher1),sizeof(teacher2));
    }
    return 0;
}

(lldb) p teacher1
(NormalTeacher) $1 = (name = "CC", age = 18, height = 0)
(lldb) p teacher2
(UnionTeacher) $2 = (name = "", age = 18, height = 2.1219957998584539E-314)
2021-06-15 23:56:12.676728+0800 001-聯(lián)合體位域[370:1673124] 24-8

從打印信息可以看出膜蛔，盡管我們對(duì)name進(jìn)行了賦值，但是在union中只打印出了后面賦值的屬性值脖阵，而結(jié)構(gòu)體會(huì)將賦值的屬性值全部打印出來(lái)皂股。

總結(jié)：

• 聯(lián)合體的內(nèi)存大小由其中最大的成員變量的大小決定。
• 聯(lián)合體中的所有變量共用一塊內(nèi)存命黔，變量之間互斥呜呐。

優(yōu)缺點(diǎn)：

• 內(nèi)存使用靈活，節(jié)省內(nèi)存空間悍募。
• 不夠包容,變量互斥蘑辑。

3. isa指針結(jié)構(gòu)

alloc一個(gè)對(duì)象底層核心的三個(gè)方法是cls->instanceSize(),calloc(1, size),obj->initIsa(cls)，我們知道obj->initIsa(cls)方法是對(duì)象和isa進(jìn)行關(guān)聯(lián)坠宴，那么isa是怎么來(lái)的呢洋魂？

通過(guò)斷點(diǎn)進(jìn)入到objc_object::initIsa()方法

inline void 
objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor) 
{ 
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
    # 是否是純的isa
    if (!nonpointer) { 
        # 如果是純的isa的話直接賦值類
        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;
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.indexcls = (uintptr_t)cls->classArrayIndex();
#else
        newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;
        newisa.has_cxx_dtor = hasCxxDtor;
        newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;
#endif
        instantiation
        isa = newisa;
    }
}

我們可以發(fā)現(xiàn)其中比較重要的一個(gè)類型isa_t，看一下isa_t的實(shí)現(xiàn)

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
};

源碼分析: isa_t是聯(lián)合體喜鼓，里面包括兩個(gè)析構(gòu)函數(shù),cls,bits,而聯(lián)合體是互斥的副砍，這意味著：

• cls被賦值了，那么bits就沒(méi)有值或者被覆蓋
• bits被賦值了庄岖，那么cls就沒(méi)有值或者被覆蓋

在isa_t聯(lián)合體中還有一個(gè)結(jié)構(gòu)體豁翎，里面放著一個(gè)ISA_BITFIELD成員變量，這是一個(gè)宏隅忿，主要通過(guò)位域的方式來(lái)存儲(chǔ)信息谨垃，具體信息如下：

ISA_BITFIELD描述.png

總結(jié)：

• isa指針?lè)譃?code>nonPointerIsa和非nonPointerIsa启搂，非nonPointerIsa是一個(gè)純isa指針類型硼控，只包含類指針的值刘陶；而nonPointerIsa還包含一些其他類的信息
• isa是聯(lián)合體+位域的方式存儲(chǔ)信息的，主要目的是為了節(jié)省內(nèi)存空間牢撼；

4. isa關(guān)聯(lián)類的方式

• isa位運(yùn)算
• isa&ISA_MASK 掩碼

接下來(lái)驗(yàn)證這兩種方式：
（這里需要擴(kuò)展一個(gè)知識(shí)匙隔，iOS是屬于小端模式，所以讀取數(shù)據(jù)是從后往前讀取的）

• isa位運(yùn)算：

類信息是存儲(chǔ)在isa指針中的熏版，在位域中用shiftcls來(lái)存儲(chǔ)纷责，x86_64中從第17位開(kāi)始存儲(chǔ)，大小為44位撼短。位運(yùn)算的目的就是為了只保留shiftcls信息再膳，其他的位置全部歸零。如下圖

isa位運(yùn)算.png

isa位運(yùn)算圖示.png

總結(jié)：通過(guò)一系列的位運(yùn)算的最終可以得到類信息曲横，這就是一個(gè)純的isa喂柒，這說(shuō)明isa已經(jīng)和類進(jìn)行了關(guān)聯(lián)

• isa&ISA_MASK：

ISA_MASK是一個(gè)宏定義。__x86_64__下的值是0x00007ffffffffff8ULL禾嫉，__arm64__下的值是0x0000000ffffffff8ULL灾杰。我們通過(guò)宏定義來(lái)驗(yàn)證一下結(jié)果。如下圖

isa&ISA_MASK.png