OC底層原理03— isa探究

iOS--OC底層原理文章匯總

對象的本質(zhì)

在分析isa前战惊,先分析一下我們常見的接觸最多的——對象噪裕。為了探究OC對象的本質(zhì)是什么捺弦,就有必要了解Clang躁垛。

Clang是?個C語?俩莽、C++川梅、Objective-C語?的輕量級編譯器疯兼。源代碼發(fā)布于BSD協(xié)議下然遏。Clang將?持其普通lambda表達式、返回類型的簡化處理以及更好的處理constexpr關(guān)鍵字吧彪。Clang是?個由Apple主導編寫待侵,基于LLVM的C/C++/Objective-C編譯器。

  • 利用Clang解析OC文件
    將OC代碼通過Clang命令解析姨裸,就能探究OC對象低層是怎樣的一個數(shù)據(jù)形式秧倾。用到的命令:clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp,目的是將目標文件編譯成C++的文件,這是基于OC文件的一種編譯方式傀缩,如果要對UIKit框架下的UI文件比如ViewController.m那先。
// 模擬器sdk路徑替換自己的即可
clang -rewrite-objc -fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-12.0.0 -isysroot /
Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/
iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator12.0.sdk ViewController.m

xcode安裝的時候順帶安裝了xcrun命令,xcrun命令在clang的基礎(chǔ)上進?了
?些封裝赡艰,要更好??些
xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp-- iPhoneSimulator
xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main?arm64.cpp -- iPhone
通過搜索定義的對象名

// 對象的本質(zhì)——結(jié)構(gòu)體
struct Book_IMPL {
    struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS;
    NSString *_name;
};

// @property (nonatomic, copy) NSString *bookName;
/* @end */
// @implementation Book

static NSString * _I_Book_name(Book * self, SEL _cmd) { return (*(NSString **)((char *)self + OBJC_IVAR_$Book$_name)); }
extern "C" __declspec(dllimport) void objc_setProperty (id, SEL, long, id, bool, bool);
static void _I_Book_setName_(Book * self, SEL _cmd, NSString *name) {
    objc_setProperty (self, _cmd, __OFFSETOFIVAR__(struct Book, _name), (id)name, 0, 1);
}
// @end

對象:對象的本質(zhì)是結(jié)構(gòu)體售淡。

聯(lián)合體位域(union)

再來稍稍剖析下聯(lián)合體位域。聯(lián)合體位域的目的是為了優(yōu)化存儲空間瞄摊,節(jié)省內(nèi)存勋又。
當多個數(shù)據(jù)需要共享內(nèi)存或者多個數(shù)據(jù)每次只取其一時,可以利用聯(lián)合體(union):
1)聯(lián)合體是一個結(jié)構(gòu)换帜;
2)它的所有成員相對于基地址的偏移量都為0楔壤;
3)此結(jié)構(gòu)空間要大到足夠容納最"寬"的成員;
使用位域的主要目的是壓縮存儲惯驼,其大致規(guī)則為:

  1. 如果相鄰位域字段的類型相同蹲嚣,且其位寬之和小于類型的sizeof大小,則后面的字段將緊鄰前一個字段存儲祟牲,直到不能容納為止隙畜;

  2. 如果相鄰位域字段的類型相同,但其位寬之和大于類型的sizeof大小说贝,則后面的字段將從新的存儲單元開始议惰,其偏移量為其類型大小的整數(shù)倍;

  3. 如果相鄰的位域字段的類型不同乡恕,則各編譯器的具體實現(xiàn)有差異言询,VC6采取不壓縮方式,Dev-C++采取壓縮方式傲宜;

  4. 如果位域字段之間穿插著非位域字段运杭,則不進行壓縮;

  5. 結(jié)構(gòu)體總大小為最大對齊數(shù)的整數(shù)倍函卒。

比如定義一個車的類辆憔,它有前后左右的屬性,每一個屬性就是占4個字節(jié),4 x 4 = 16字節(jié) x 8位 = 128位,這樣就浪費存儲空間虱咧。如果優(yōu)化一下熊榛,使用聯(lián)合體位域,通過0: NO, 1: YES這樣的形式來存儲前后左右彤钟,那它就能用1個字節(jié)存儲下來来候。

// car.h
@interface Car : 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
// 存儲 : 1字節(jié) = 8位 0000 1111  char + 位域  bit 結(jié)構(gòu)體
- (void)setFront:(BOOL)isFront;  
- (BOOL)isFront;

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

@end

// car.m

#import "Car.h"

#define DirectionFrontMask    (1 << 0)
#define DirectionBackMask     (1 << 1)
#define DirectionLeftMask     (1 << 2)
#define DirectionRightMask    (1 << 3)

// ISA 8字節(jié) 64 信息 性能
// 2^64

@interface Car(){
    // 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
@implementation Car
- (instancetype)init
{
    self = [super init];
    if (self) {
    // 使它們有相同的基地址
        _direction.bits = 0b0000000000;
    }
    return self;
}
- (void)setFront:(BOOL)isFront {
        
    if (isFront) {
       // 如果向前,_direction.bits | DirectionFrontMask逸雹,則代表得到向前為真 营搅,有了新的  _direction.bits = 0b0000000001;
        _direction.bits |= DirectionFrontMask;
    } else {
      // 否則,_direction.bits = 0b0000000000梆砸;
        _direction.bits |= ~DirectionFrontMask;
    }
    NSLog(@"%s",__func__);
}
- (BOOL)isFront{
    return _direction.front;
}
- (void)setBack:(BOOL)isBack {
    _direction.back = isBack;
    NSLog(@"%s",__func__);
}
- (BOOL)isBack{
    return _direction.back;
}
@end

通過對基地址進行左移的形式转质,將其4個結(jié)構(gòu)體成員所代表的信息,用一個字節(jié)就表達了帖世,蘋果大量采用了這樣的編碼方式休蟹。

isa的分析

利用之前的objc781源碼工程進行底層isa的分析:
alloc -> _objc_rootAlloc -> callAlloc -> _objc_rootAllocWithZone -> _class_createInstanceFromZone會進入以下的代碼

static ALWAYS_INLINE id
_class_createInstanceFromZone(Class cls, size_t extraBytes, void *zone,
                              int construct_flags = OBJECT_CONSTRUCT_NONE,
                              bool cxxConstruct = true,
                              size_t *outAllocatedSize = nil)
{
    ASSERT(cls->isRealized());

    // Read class's info bits all at once for performance
    bool hasCxxCtor = cxxConstruct && cls->hasCxxCtor();
    bool hasCxxDtor = cls->hasCxxDtor();
    bool fast = cls->canAllocNonpointer();
    size_t size;

    size = cls->instanceSize(extraBytes);
    if (outAllocatedSize) *outAllocatedSize = size;

    id obj;
    if (zone) {
        obj = (id)malloc_zone_calloc((malloc_zone_t *)zone, 1, size);
    } else {
        obj = (id)calloc(1, size);
    }
    if (slowpath(!obj)) {
        if (construct_flags & OBJECT_CONSTRUCT_CALL_BADALLOC) {
            return _objc_callBadAllocHandler(cls);
        }
        return nil;
    }

    if (!zone && fast) {
        obj->initInstanceIsa(cls, hasCxxDtor);
    } else {
        // Use raw pointer isa on the assumption that they might be
        // doing something weird with the zone or RR.
        obj->initIsa(cls);
    }

    if (fastpath(!hasCxxCtor)) {
        return obj;
    }

    construct_flags |= OBJECT_CONSTRUCT_FREE_ONFAILURE;
    return object_cxxConstructFromClass(obj, cls, construct_flags);
}

其中 initInstanceIsa, initIsa就發(fā)現(xiàn)isa蹤跡;繼續(xù)跟入:


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

    initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}

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());
       // 初始化
        isa_t newisa(0);
#if SUPPORT_INDEXED_ISA 
      // iOS系統(tǒng)下走這
        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 就是一個聯(lián)合體日矫,對bits進行默認賦值
        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;
    }
}

分析這段代碼赂弓,isa = isa_t((uintptr_t)cls);這段代碼是一個關(guān)鍵點,進入isa_t

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
};

ISA_BITFIELD; // defined in isa.h終于看到了isa的定義文件哪轿,進入發(fā)現(xiàn)了下面的代碼:

// 針對iOS系統(tǒng)時的isa
# 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)
// 針對macOS系統(tǒng)時的isa
# 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

// SUPPORT_PACKED_ISA
#endif

這就是isa的結(jié)構(gòu)盈魁,在iOS和macOS有這不同的字節(jié)占比,卻有著相同的定義:
nonpointer:表示是否對 isa 指針開啟指針優(yōu)化窃诉,0:純isa指針杨耙,1:不?是類對象地址,isa 中包含了類信息、對象的引?計數(shù)等;
has_assoc:關(guān)聯(lián)對象標志位飘痛,0沒有珊膜,1存在;
has_cxx_dtor:該對象是否有 C++ 或者 Objc 的析構(gòu)器,如果有析構(gòu)函數(shù),則需要做析構(gòu)邏輯, 如果沒有,則可以更快的釋放對象;
shiftcls:存儲類指針的值。開啟指針優(yōu)化的情況下宣脉,在 arm64 架構(gòu)中有 33 位?來存儲類指針;
magic:?于調(diào)試器判斷當前對象是真的對象還是沒有初始化的空間;
weakly_referenced:志對象是否被指向或者曾經(jīng)指向?個 ARC 的弱變量车柠,沒有弱引?的對象可以更快釋放;
deallocating:標志對象是否正在釋放內(nèi)存;
has_sidetable_rc:當對象引?技術(shù)?于 10 時,則需要借?該變量存儲進位;
extra_rc:當表示該對象的引?計數(shù)值塑猖,實際上是引?計數(shù)值減 1堪遂,
例如,如果對象的引?計數(shù)為 10萌庆,那么 extra_rc 為 9。如果引?計數(shù)?于 10币旧,則需要使?到下?的 has_sidetable_rc践险。
通過以下圖片可以更加形象的理解isa的結(jié)構(gòu):

isa結(jié)構(gòu)-網(wǎng)絡圖

其中我們需要關(guān)注的是shiftcls,它存儲的事類指針的值,事關(guān)整個類的關(guān)鍵信息∥〕妫可以通過調(diào)試objc源碼工程進行實操彭则。

  • newisa 初始化
    進入到inline void objc_object::initIsa(Class cls, bool nonpointer, bool hasCxxDtor),這個方法中占遥,下一個斷點
    isa斷點圖

    利用LLDB調(diào)試俯抖,打印一些信息
(lldb) x cls
0x1000020e8: c0 20 00 00 01 00 00 00 40 41 33 00 01 00 00 00  . ......@A3.....
0x1000020f8: 10 e4 32 00 01 00 00 00 00 00 00 00 10 80 00 00  ..2.............
(lldb) x/4gx cls
0x1000020e8: 0x00000001000020c0 0x0000000100334140
0x1000020f8: 0x000000010032e410 0x0000801000000000
(lldb) p newisa
(isa_t) $2 = {
  cls = nil
  bits = 0
   = {
    nonpointer = 0
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 0
    shiftcls = 0
    magic = 0
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}

x == memory read : 打印內(nèi)存情況 ; x/4gx :用4行的形式打印內(nèi)存瓦胎;

這是剛開始創(chuàng)建的newisa信息情況芬萍,當它執(zhí)行了上圖中newisa.bits = ISA_MAGIC_VALUE;之后,newisa就有了新的值:

(isa_t) $4 = {
  cls = 0x001d800000000001
  bits = 8303511812964353
   = {
    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
  }
}

cls不再為nil搔啊,bits中的成員也有了初始值柬祠,其中的magic = 59,二進制是11 1011;它對應16進制下64位中的47 ~ 52中的值:

magic值

  • 關(guān)聯(lián)isa指針與類
    newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;這個執(zhí)行的操作就是將 (uintptr_t)cls右移三位负芋,再打印它的信息驗證一下漫蛔,newisa的信息就與類關(guān)聯(lián)起來了。
(lldb) p (uintptr_t)cls 
(uintptr_t) $7 = 4294975720
(lldb) p $5 >> 3
(uintptr_t) $8 = 536871965
(lldb) p newisa
(isa_t) $9 = {
  cls = LGPerson
  bits = 8303516107940073
   = {
    nonpointer = 1
    has_assoc = 0
    has_cxx_dtor = 0
    shiftcls = 536871965
    magic = 59
    weakly_referenced = 0
    deallocating = 0
    has_sidetable_rc = 0
    extra_rc = 0
  }
}

將isa返回賦值到obj:

初始化isa關(guān)聯(lián)類

在這個頁面繼續(xù)LLDB調(diào)試旧蛾,打印obj對象信息莽龟,在打印它的內(nèi)存信息,其實:0x001d8001000020e9就是這個類的isa信息锨天,通過窺探isa的源碼毯盈,我們有兩種方式獲得LGPerson類關(guān)聯(lián),return (Class)(isa.bits & ISA_MASK);绍绘,執(zhí)行這段代碼同樣能得出類信息奶镶。

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
}
(lldb) po obj
<LGPerson: 0x101305150>

(lldb) x/4gx 0x101305150
0x101305150: 0x001d8001000020e9 0x0000000000000000
0x101305160: 0x00007fff8b974738 0x000000010063eff0
(lldb) po 0x001d8001000020e9 & 0x00007ffffffffff8ULL
LGPerson
  • 通過位移預算再驗證類信息
    根據(jù)之前分析的isa結(jié)構(gòu),其中shiftcls存儲的就是類的信息陪拘,那么就可根據(jù)isa指針厂镇,通過向右位移3位,再向左位移17 + 3 = 20左刽,再通過右位移17還原出isa地址中shiftcls信息捺信,這個計算的操作就是為了將isa其他位上的信息進行抹零處理,得到了第 3 ~ 46的信息欠痴。(iOS為3~35)
(lldb) x/4gx 0x101305150
0x101305150: 0x001d8001000020e9 0x0000000000000000
0x101305160: 0x00007fff8b974738 0x000000010063eff0
(lldb) p/x 0x001d8001000020e9 >> 3
(long) $13 = 0x0003b0002000041d
(lldb) p/x 0x0003b0002000041d << 20 
(long) $14 = 0x0002000041d00000
(lldb) p/x 0x0002000041d00000 >> 17
(long) $15 = 0x00000001000020e8
(lldb) p/x cls
(Class) $16 = 0x00000001000020e8 LGPerson
// 驗證了cls的信息與位移后的結(jié)果
最后編輯于
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  • 序言:七十年代末迄靠,一起剝皮案震驚了整個濱河市,隨后出現(xiàn)的幾起案子喇辽,更是在濱河造成了極大的恐慌掌挚,老刑警劉巖,帶你破解...
    沈念sama閱讀 216,692評論 6 501
  • 序言:濱河連續(xù)發(fā)生了三起死亡事件菩咨,死亡現(xiàn)場離奇詭異吠式,居然都是意外死亡陡厘,警方通過查閱死者的電腦和手機,發(fā)現(xiàn)死者居然都...
    沈念sama閱讀 92,482評論 3 392
  • 文/潘曉璐 我一進店門特占,熙熙樓的掌柜王于貴愁眉苦臉地迎上來糙置,“玉大人,你說我怎么就攤上這事是目“梗” “怎么了?”我有些...
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  • 文/不壞的土叔 我叫張陵懊纳,是天一觀的道長揉抵。 經(jīng)常有香客問我,道長长踊,這世上最難降的妖魔是什么功舀? 我笑而不...
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  • 正文 為了忘掉前任,我火速辦了婚禮身弊,結(jié)果婚禮上辟汰,老公的妹妹穿的比我還像新娘。我一直安慰自己阱佛,他們只是感情好帖汞,可當我...
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  • 文/花漫 我一把揭開白布。 她就那樣靜靜地躺著凑术,像睡著了一般翩蘸。 火紅的嫁衣襯著肌膚如雪。 梳的紋絲不亂的頭發(fā)上淮逊,一...
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  • 那天催首,我揣著相機與錄音,去河邊找鬼泄鹏。 笑死郎任,一個胖子當著我的面吹牛,可吹牛的內(nèi)容都是我干的备籽。 我是一名探鬼主播舶治,決...
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  • 文/蒼蘭香墨 我猛地睜開眼,長吁一口氣:“原來是場噩夢啊……” “哼车猬!你這毒婦竟也來了霉猛?” 一聲冷哼從身側(cè)響起,我...
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  • 序言:老撾萬榮一對情侶失蹤珠闰,失蹤者是張志新(化名)和其女友劉穎惜浅,沒想到半個月后,有當?shù)厝嗽跇淞掷锇l(fā)現(xiàn)了一具尸體伏嗜,經(jīng)...
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  • 正文 獨居荒郊野嶺守林人離奇死亡赡矢,尸身上長有42處帶血的膿包…… 初始之章·張勛 以下內(nèi)容為張勛視角 年9月15日...
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  • 正文 我和宋清朗相戀三年杭朱,在試婚紗的時候發(fā)現(xiàn)自己被綠了。 大學時的朋友給我發(fā)了我未婚夫和他白月光在一起吃飯的照片吹散。...
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  • 序言:一個原本活蹦亂跳的男人離奇死亡,死狀恐怖八酒,靈堂內(nèi)的尸體忽然破棺而出空民,到底是詐尸還是另有隱情,我是刑警寧澤羞迷,帶...
    沈念sama閱讀 35,437評論 5 344
  • 正文 年R本政府宣布界轩,位于F島的核電站,受9級特大地震影響衔瓮,放射性物質(zhì)發(fā)生泄漏浊猾。R本人自食惡果不足惜,卻給世界環(huán)境...
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  • 文/蒙蒙 一热鞍、第九天 我趴在偏房一處隱蔽的房頂上張望葫慎。 院中可真熱鬧,春花似錦薇宠、人聲如沸偷办。這莊子的主人今日做“春日...
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  • 文/蒼蘭香墨 我抬頭看了看天上的太陽椒涯。三九已至,卻和暖如春回梧,著一層夾襖步出監(jiān)牢的瞬間废岂,已是汗流浹背。 一陣腳步聲響...
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  • 我被黑心中介騙來泰國打工狱意, 沒想到剛下飛機就差點兒被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留湖苞,地道東北人。 一個月前我還...
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  • 正文 我出身青樓髓涯,卻偏偏與公主長得像袒啼,于是被迫代替她去往敵國和親。 傳聞我的和親對象是個殘疾皇子纬纪,可洞房花燭夜當晚...
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