在前面的OC底層-對(duì)象的alloc流程探究文章中管搪，alloc
的流程中，我們知道了OC底層是通過(guò)initInstanceIsa把我們的類cls和isa關(guān)聯(lián)起來(lái)馆铁，我們順著initInstanceIsa去對(duì)今天的主角isa一探究竟蚯瞧。

isa是什么

isa的類型

struct objc_object 
private:
    isa_t isa;

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
};

可以看到在objc_object結(jié)構(gòu)體中，isa是isa_t類型颁虐。同時(shí)我們找到了isa_t的定義。union是聯(lián)合體卧须，這里我們的isa顯然就是聯(lián)合體類型另绩。

union 和 struct

union

聯(lián)合體（也稱共用體）是由不同的數(shù)據(jù)類型組成儒陨，但其成員是互斥的，所有的成員共占一段內(nèi)存笋籽。聯(lián)合體采用了內(nèi)存覆蓋技術(shù)蹦漠，同一時(shí)刻只能保存一個(gè)成員的值，如果對(duì)新的成員賦值车海，就會(huì)將原來(lái)成員的值覆蓋掉笛园。

• 優(yōu)點(diǎn)：所有成員共用一段內(nèi)存，節(jié)省了內(nèi)存空間侍芝。
• 缺點(diǎn)：包容性弱

struct

結(jié)構(gòu)體是指把不同的數(shù)據(jù)組合成一個(gè)整體研铆，其成員是共存的，成員不管是否使用州叠，都會(huì)分配內(nèi)存棵红。

• 優(yōu)點(diǎn)：存儲(chǔ)容量較大，包容性強(qiáng)咧栗，且成員之間不會(huì)相互影響窄赋。
• 缺點(diǎn)：所有成員不管是否使用都分配內(nèi)存，比較浪費(fèi)內(nèi)存楼熄。

兩者的區(qū)別

• 內(nèi)存占用情況
  • 聯(lián)合體的所有成員占用同一段內(nèi)存，成員互斥
  • 結(jié)構(gòu)體的各個(gè)成員會(huì)占用不同的內(nèi)存浩峡，互相之間沒(méi)有影響
• 內(nèi)存分配大小
  • 聯(lián)合體占用的內(nèi)存等于最大的成員占用的內(nèi)存
  • 結(jié)構(gòu)體內(nèi)存等于最大的成員占用的內(nèi)存的整數(shù)倍

isa_t 的成員分析

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
};


# if __arm64__
#   define ISA_MASK        0x0000000ffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x000003f000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x000001a000000001ULL
#   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
#   define RC_ONE   (1ULL<<45)
#   define RC_HALF  (1ULL<<18)

# elif __x86_64__
#   define ISA_MASK        0x00007ffffffffff8ULL
#   define ISA_MAGIC_MASK  0x001f800000000001ULL
#   define ISA_MAGIC_VALUE 0x001d800000000001ULL
#   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
#   define RC_ONE   (1ULL<<56)
#   define RC_HALF  (1ULL<<7)

# else
#   error unknown architecture for packed isa
# endif

通過(guò)聯(lián)合體和結(jié)構(gòu)體的特性可岂，不難分析出isa_t采用聯(lián)合體是基于內(nèi)存優(yōu)化的考慮。isa指針的內(nèi)存大小是8字節(jié)翰灾，即64bit缕粹，也就是64位。isa通過(guò)char+位域的設(shè)計(jì)纸淮，巧妙的用二進(jìn)制的每一位來(lái)存儲(chǔ)和表示聯(lián)合體成員的信息平斩。

• isa_t提供了的對(duì)應(yīng)的初始化方法isa_t() { }和isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }。

• isa_t還提供了2個(gè)成員咽块。cls和bits绘面，以及一個(gè)結(jié)構(gòu)體定義的位域,用來(lái)存儲(chǔ)類的信息。

• 分析下位域中存儲(chǔ)的每個(gè)數(shù)據(jù)

  • nonpointer ：表示是否對(duì) isa 指針開啟指針優(yōu)化侈沪。0:純isa指針揭璃，1:不止是類對(duì)象地址，isa 中包含了類信息亭罪、對(duì)象的引用計(jì)數(shù)等瘦馍。
  • has_assoc：關(guān)聯(lián)對(duì)象標(biāo)志位，0沒(méi)有应役，1存在
  • has_cxx_dtor：該對(duì)象是否有 C++ 或者 Objc 的析構(gòu)器情组，如果有析構(gòu)函數(shù)燥筷，則需要做析構(gòu)邏輯，如果沒(méi)有院崇，則可以更快的釋放對(duì)象
  • shiftcls：存儲(chǔ)類指針的值肆氓。開啟指針優(yōu)化的情況下，在 arm64 架構(gòu)中有 33 位用來(lái)存儲(chǔ)類指針亚脆。
  • magic：用于調(diào)試器判斷當(dāng)前對(duì)象是真的對(duì)象還是沒(méi)有初始化的空間做院。
  • weakly_referenced：標(biāo)志對(duì)象是否被指向或者曾經(jīng)指向一個(gè) ARC的弱變量，沒(méi)有弱引用的對(duì)象可以更快釋放濒持。
  • deallocating：標(biāo)志對(duì)象是否正在釋放內(nèi)存
  • has_sidetable_rc：當(dāng)對(duì)象引用技術(shù)大于 10 時(shí)键耕，則需要借用該變量存儲(chǔ)進(jìn)位
  • extra_rc：當(dāng)表示該對(duì)象的引用計(jì)數(shù)值，實(shí)際上是引用計(jì)數(shù)值減 1柑营， 例如屈雄，如果對(duì)象的引用計(jì)數(shù)為 10，那么 extra_rc 為 9官套。如果引用計(jì)數(shù)大于 10酒奶， 則需要使用到下面的 has_sidetable_rc。

下面是x86_64即macOS平臺(tái)的isa_t的成員存儲(chǔ)情況
[圖片上傳失敗...(image-519ad0-1600051522675)]

isa做了什么

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;
    }
}

isa成員賦值

• 和alloc一樣奶赔，我們?cè)?code>main.m中初始化MuPerson惋嚎。由alloc-> _objc_rootAlloc -> callAlloc -> _objc_rootAllocWithZone > _class_createInstanceFromZone > initInstanceIsa > initIsa 到上面這份核心代碼，打上斷點(diǎn)站刑，開始調(diào)試另伍，我們來(lái)看系統(tǒng)是如何對(duì)isa的成員賦值。
• 初始化isa指針绞旅，這里依據(jù)nonpointer來(lái)分別通過(guò)cls和bits對(duì)isa初始化摆尝，也從側(cè)面驗(yàn)證了cls和bits互斥的原則，不能同時(shí)setter因悲。
• 斷點(diǎn)過(guò)isa_t newisa(0)堕汞，對(duì)isa初始化，到bits賦值之前晃琳，我們通過(guò)p打印newisa結(jié)果如下
  
  image
• 斷點(diǎn)過(guò)newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE讯检，對(duì)bits賦值之后，我們通過(guò)p打印newisa結(jié)果如下
  
  image
• 斷點(diǎn)到isa = newisa卫旱，對(duì)isa賦值之后视哑，我們通過(guò)p打印newisa結(jié)果如下
  
  image
• 三次斷點(diǎn)p打印的newisa結(jié)果做下對(duì)比如下
  
  image

通過(guò)斷點(diǎn)，我們清晰的看到isa中的成員是如何一步一步的被賦值誊涯。

isa和類關(guān)聯(lián)

image

通過(guò)對(duì)isa成員賦值分析挡毅，isa和我們類的關(guān)聯(lián)關(guān)鍵在于isa中的成員shiftcls,即newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3這句關(guān)鍵代碼。這里>> 3是為了通過(guò)位運(yùn)算把cls的信息準(zhǔn)確的放在shiftcls的存儲(chǔ)位置上暴构。以這樣一種巧妙的方式跪呈，就把isa和類關(guān)聯(lián)起來(lái)段磨。

isa是否和類關(guān)聯(lián)的驗(yàn)證

• 通過(guò) isa & ISA_MSAK驗(yàn)證

(lldb) po cls
MuPerson

(lldb) po obj
<MuPerson: 0x1007076b0>

(lldb) x/4gx obj
0x1007076b0: 0x001d800100002255 0x0000000000000000
0x1007076c0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
(lldb) po 0x001d800100002255 & 0x00007ffffffffff8ULL
MuPerson

(lldb) 

• 通過(guò) object_getClass驗(yàn)證

object_getClass -> Class object_getClass -> inline Class objc_object::getIsa() -> inline Class objc_object::ISA()

inline Class 
objc_object::ISA() 
{
    ASSERT(!isTaggedPointer()); 
#if SUPPORT_INDEXED_ISA
    if (isa.nonpointer) {
        uintptr_t slot = isa.indexcls;
        return classForIndex((unsigned)slot);
    }
    return (Class)isa.bits;
#else
    return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);
#endif
}

• 通過(guò) 位運(yùn)算 驗(yàn)證

(lldb) p cls
(Class) $7 = MuPerson
(lldb) p/x cls
(Class) $8 = 0x0000000100002250 MuPerson
(lldb) p obj
(MuPerson *) $9 = 0x000000010192c440
(lldb) x/4gx obj
0x10192c440: 0x001d800100002255 0x0000000000000000
0x10192c450: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
(lldb) p/x 0x001d800100002255 >> 3
(long) $11 = 0x0003b0002000044a
(lldb) p/x $11 << 20
(long) $12 = 0x0002000044a00000
(lldb) p/x $12 >> 17
(long) $13 = 0x0000000100002250
(lldb) 

為什么設(shè)計(jì)isa

isa走位流程圖

這里放上業(yè)界經(jīng)典isa走位流程圖

image

• 子類的isa走位鏈：子類對(duì)象 --> 子類 --> 子元類 --> NSObject（根元類） --> NSObject（根元類，即自己）
• 父類的isa走位鏈：父類對(duì)象 --> 父類 --> 父元類 --> NSObject（根元類） --> NSObject（根元類耗绿，即自己）
• 類的繼承關(guān)系鏈：子類 --> 父類 --> NSObject（根類）--> nil
• 元類的繼承關(guān)系鏈：子元類 --> 父元類 --> 根元類 --> NSObject（根類）--> nil

objc_class & objc_object

struct NSObject_IMPL {
    Class isa;
};

typedef struct objc_class *Class;

struct objc_class : objc_object {
    // Class ISA;
    Class superclass;
    cache_t cache;             // formerly cache pointer and vtable
    class_data_bits_t bits;    // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags

    class_rw_t *data() const {
        return bits.data();
    }
    void setData(class_rw_t *newData) {
        bits.setData(newData);
    }
    ///此處省略一萬(wàn)行
}


struct objc_object {
private:
    isa_t isa;
    ///此處省略一萬(wàn)行
}

• clang編譯的mian.cpp文件中苹支，NSObject中的isa在底層是由Class 定義的，其中Class的底層編碼來(lái)自 objc_class類型误阻，而objc_class又繼承于objc_object债蜜。
• OC層面的根類NSObject，初始化對(duì)象就會(huì)有isa特性,isa的根源來(lái)自OC底層的objc_object究反。
• 所有的類是由objc_class為模板生成的寻定，所有的對(duì)象則是由objc_object為模板生成的。

貫穿全局的isa

上面我們微觀的分析了isa做了什么精耐，isa把對(duì)象和類關(guān)聯(lián)起來(lái)狼速。宏觀的看，isa貫穿了我們的類對(duì)象卦停、類向胡、元類、根元類惊完。在OC底層系統(tǒng)為我們?cè)O(shè)計(jì)了objc_object僵芹、objc_class,OC上層由NSObject作為根類持有isa特性。isa完美的將底層和OC串聯(lián)起來(lái)小槐。

結(jié)語(yǔ)：萬(wàn)物皆對(duì)象淮捆，萬(wàn)物皆有isa。